El curioso caso de por qué las células solares de perovskita consiguen eficiencias parecidas a las de silicio

A pesar de estar plagadas de impurezas y defectos, las perovskitas de haluro de plomo procesadas en solución son sorprendentemente eficientes en la conversión de energía solar en electricidad. Su eficiencia se acerca a la de las células solares de silicio, el estándar de la industria. En un nuevo estudio publicado en Nature Communications, físicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) presentan una explicación exhaustiva del mecanismo que explica la eficiencia de las perovskitas, un tema que durante mucho tiempo ha desconcertado a los investigadores.

¿Cómo puede un dispositivo ensamblado con una sofisticación mínima competir con la tecnología de vanguardia perfeccionada durante décadas? En los últimos 15 años, la investigación de materiales ha sido testigo del auge de las perovskitas basadas en haluros de plomo como materiales prometedores para las células solares de próxima generación. El enigma reside en que, a pesar de un rendimiento similar, las células solares de perovskita se fabrican mediante técnicas económicas basadas en soluciones, mientras que las células de silicio estándar de la industria requieren obleas monocristalinas ultrapuras.

Ahora, el investigador postdoctoral Dmytro Rak y el profesor adjunto Zhanybek Alpichshev, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), han descubierto el mecanismo que explica las propiedades fotovoltaicas únicas de las perovskitas. Su hallazgo clave es que, mientras que la tecnología basada en silicio se basa en la ausencia de impurezas, en las perovskitas ocurre lo contrario: es la red natural de defectos estructurales en estos materiales la que permite el transporte de carga a larga distancia necesario para una eficiente captación de energía fotovoltaica. «Nuestro trabajo proporciona la primera explicación física de estos materiales, dando cuenta de la mayoría —si no de todas— sus propiedades documentadas», afirma Rak. Los resultados podrían acelerar la transición de las células solares de perovskita de próxima generación del laboratorio a las aplicaciones prácticas.

Perovskitas: del anonimato al protagonismo

El término «perovskitas de haluro de plomo» engloba a una clase de compuestos descubiertos en la década de 1970. Recibieron este nombre por su similitud estructural superficial con las perovskitas, una amplia familia de compuestos de óxido que desempeñan un papel fundamental en la ciencia de los materiales. Sin embargo, aparte de su peculiar capacidad para formar estructuras cristalinas híbridas orgánicas-inorgánicas estables, las perovskitas de haluro de plomo no despertaron inicialmente un gran interés. Tras su caracterización estándar, fueron catalogadas y prácticamente olvidadas.

Sin embargo, a principios de la década de 2010, los investigadores se percataron de que estos materiales presentan un rendimiento fotovoltaico excepcional. Las perovskitas también demostraron ser excelentes materiales para LED, así como para la detección y obtención de imágenes de rayos X. «Además, estos materiales exhiben asombrosas propiedades cuánticas, como la coherencia cuántica a temperatura ambiente», explica Alpichshev, cuyo grupo en ISTA investiga fenómenos complejos de la física de la materia condensada en materiales complejos.

Tecnologías de células solares fundamentalmente diferentes

Una célula solar eficiente debe absorber la luz incidente y convertirla eficazmente en cargas eléctricas: un electrón con carga negativa y un hueco con carga positiva. Estas cargas deben recolectarse en los electrodos de la célula solar para producir corriente útil. Aquí radica el desafío: las cargas deben recorrer cientos de micras —equivalentes a cientos de kilómetros a escala humana— sin quedar atrapadas en el camino.

En la tecnología basada en silicio, este problema se resuelve haciendo que el medio de captación solar esté prácticamente libre de defectos que podrían atrapar cargas antes de que lleguen a los electrodos colectores. Lo inusual de los dispositivos de perovskita es que, al ser cultivados en solución, están llenos de defectos. ¿Cómo pueden las cargas en un entorno así recorrer largas distancias para ser extraídas como corriente útil? Además, ¿por qué persisten el tiempo suficiente para ello?

De la hipótesis a la imagen: la 'angiografía' plateada

Existen pruebas sólidas de que, una vez que los electrones y los huecos en las perovskitas forman un estado ligado —un excitón—, se recombinan muy rápidamente. En vista de esto, la observación de que los electrones y los huecos permanecen separados durante largos periodos dentro de los materiales resulta aún más desconcertante. Para explicar esta aparente paradoja, los investigadores del ISTA conjeturaron que fuerzas internas no consideradas dentro de las perovskitas deben separar los pares electrón-hueco nacientes e impedir su recombinación.

Para comprobar esta hipótesis, el equipo introdujo electrones y huecos en el interior de una muestra de perovskita mediante métodos ópticos no lineales. Esto les permitió detectar una corriente finita que fluía en la misma dirección en el material cada vez que se introducía una nueva porción de electrones y huecos, incluso en ausencia de voltaje aplicado. "Esta observación indicó claramente que, incluso en el interior de monocristales de perovskitas sin modificar y en su estado natural, existen fuerzas internas que separan las cargas opuestas", afirma Alpichshev.

Sin embargo, caracterizaciones previas de las perovskitas habían determinado que dicho comportamiento es incompatible con su estructura cristalina intrínseca. Para resolver esta contradicción, los investigadores del ISTA propusieron además que la separación de carga no se produce de forma uniforme en toda la muestra, sino que se localiza en las denominadas "paredes de dominio": zonas de estructura modificada que pueden formar redes microscópicas que abarcan toda la muestra.

Pero, ¿cómo podría confirmarse esta conjetura? ¿Cómo se puede visualizar una red de paredes de dominio de este tipo en las profundidades del material, dado que la mayoría de las sondas locales solo son sensibles a la superficie, donde las propiedades pueden diferir significativamente?

Para superar este desafío, Rak recurrió a su formación como químico. Observando que las perovskitas también son buenos conductores iónicos, se preguntó si la introducción de algunos iones "marcadores" podría utilizarse para resaltar las paredes de dominio de forma no destructiva. Para averiguarlo, desarrolló una nueva técnica de tinción electroquímica para visualizar la estructura de las paredes de dominio del material: hizo que los iones de plata se difundieran en el interior del cristal de perovskita, donde se acumularían preferentemente en las paredes de dominio. Posteriormente, los iones se transformaron electroquímicamente en plata metálica, lo que permitió a los científicos visualizar directamente la red que recorre toda la profundidad de los materiales bajo un microscopio. "Esta técnica cualitativa, inventada e implementada en ISTA, es muy similar a la angiografía en tejidos vivos, con la diferencia de que examinamos la microestructura de un cristal", afirma Alpichshev.

Autopistas para electrones

Según Rak, descubrir que una red natural de paredes de dominio que separan la carga se extiende densamente por toda la masa de las perovskitas supuso un cambio radical. Como explica: «Si se crea un par electrón-hueco cerca de una pared de dominio, el campo eléctrico local los separa, colocándolos en lados opuestos de la pared. Al no poder recombinarse inmediatamente, pueden desplazarse a lo largo de las paredes de dominio durante lo que parecen eones en la escala temporal de un portador de carga y recorrer grandes distancias». De este modo, el equipo demostró la existencia de lo que denominan «autopistas para portadores de carga» dentro de las perovskitas. Estas explican las extraordinarias propiedades de transporte de carga que hacen que las perovskitas sean tan eficaces para la captación de energía.

Los autores destacan que este trabajo ofrece la primera explicación física completa y coherente de las perovskitas. «Con esta visión integral, por fin podemos conciliar muchas observaciones previamente contradictorias sobre las perovskitas de haluro de plomo, resolviendo un debate de larga data sobre el origen de su superior eficiencia en la captación de energía», afirma Rak.

Hasta la fecha, la investigación se ha centrado principalmente en ajustar la composición química de las perovskitas, con un éxito limitado. Ahora, los hallazgos del equipo de ISTA podrían ayudar a los investigadores a diseñar perovskitas para aumentar su eficiencia sin comprometer su proceso de producción de bajo costo, lo que augura la próxima generación de células solares.