Investigadores del MIT desarrollan un nuevo proceso diez veces más rápido para sintetizar la perovskita

Una amplia clase de materiales llamados perovskitas se considera una de las vías más prometedoras para desarrollar nuevas células solares más eficientes. Pero el número prácticamente ilimitado de posibles combinaciones de elementos constituyentes de estos materiales hace que la búsqueda de nuevas perovskitas sea lenta y meticulosa.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha acelerado el proceso de selección de nuevas formulaciones, logrando una mejora de aproximadamente diez veces la velocidad de la síntesis y el análisis de nuevos compuestos. En el proceso, ya han descubierto dos conjuntos de nuevos materiales prometedores inspirados en la perovskita que merecen un estudio adicional.

Sus hallazgos se describen esta semana en la revista Joule, en un artículo del científico investigador del MIT Shijing Sun, el profesor de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otros 16 investigadores más.

Algo sorprendente es que, aunque se empleó la automatización parcial, la mayoría de las mejoras en la velocidad de rendimiento se debieron a la ergonomía del flujo de trabajo, dice Buonassisi. Eso implica eficiencias de sistemas más tradicionales, que a menudo se obtienen al rastrear y cronometrar los muchos pasos involucrados: sintetizar nuevos compuestos, depositarlos sobre un sustrato para cristalizar, y luego observar y clasificar las formaciones de cristales resultantes utilizando múltiples técnicas.

"Existe la necesidad de un desarrollo acelerado de nuevos materiales", dice Buonassisi, a medida que el mundo continúa avanzando hacia la energía solar, incluso en regiones con espacio limitado para paneles solares. Pero el sistema típico para desarrollar nuevos materiales de conversión de energía puede demorarse 20 años, con costos de capital iniciales significativos, dice. El objetivo de su equipo es reducir ese tiempo de desarrollo a menos de dos años.

Esencialmente, los investigadores desarrollaron un sistema que permite que una gran variedad de materiales se realice y pruebe en paralelo. “Ahora podemos acceder a una amplia gama de composiciones diferentes, utilizando la misma plataforma de síntesis de materiales. Nos permite explorar una amplia gama de parámetros”, dice.

Los compuestos de perovskita consisten en tres constituyentes separados, tradicionalmente etiquetados como iones de sitio A, B y X, cada uno de los cuales puede ser uno cualquiera de una lista de elementos candidatos, formando una familia estructural muy grande con diversas propiedades físicas. En el campo de la perovskita y los materiales inspirados en la perovskita para aplicaciones fotovoltaicas, el ion B-site suele ser el líder, pero un gran esfuerzo en la investigación de perovskita es encontrar versiones viables sin plomo que puedan igualar o superar el rendimiento de la base de variedades de plomo.

Si bien se han predicho teóricamente más de mil formulaciones de perovskita potencialmente útiles, de los millones de combinaciones teóricamente posibles, solo unas pocas se han producido experimentalmente hasta el momento, destacando la necesidad de un proceso acelerado, dicen los investigadores.

Para los experimentos, el equipo seleccionó una variedad de composiciones diferentes, cada una de las cuales se mezclaron en una solución y luego se depositaron sobre un sustrato, donde el material cristalizó en una película delgada. Luego se examinó la película utilizando una técnica llamada difracción de rayos X, que puede revelar detalles de cómo están dispuestos los átomos en la estructura cristalina. Estos patrones de difracción de rayos X se clasificaron inicialmente con la ayuda de un sistema de red neuronal convolucional para acelerar esa parte del proceso. Solo ese paso de clasificación, dice Buonassisi, inicialmente tomó de tres a cinco horas, pero al aplicar el aprendizaje automático, esto se redujo a 5.5 minutos mientras se mantenía el 90% de precisión.

Ya, en su prueba inicial del sistema, el equipo exploró 75 formulaciones diferentes en aproximadamente una décima parte del tiempo que antes se hubiera tomado sintetizar y caracterizar esa cantidad. Entre esos 75, encontraron dos nuevos sistemas de perovskita sin plomo que exhiben propiedades prometedoras que podrían tener potencial para células solares de alta eficiencia.

En el proceso, produjeron cuatro compuestos en forma de película delgada por primera vez; las películas delgadas son la forma deseable para su uso en células solares. También encontraron ejemplos de “sintonización de banda prohibida no lineal” en algunos de los materiales, una característica inesperada que se relaciona con el nivel de energía necesario para excitar un electrón en el material, que dicen abre nuevas vías para las células solares potenciales.

El equipo dice que con una mayor automatización en partes del proceso, debería ser posible continuar aumentando la velocidad de procesamiento, pudiendo llegar a ser entre 10 y 100 veces más rápido. En última instancia, dice Buonassisi, se trata de lograr que la energía solar sea lo más económica posible, continuando con la notable caída de costes de la tecnología.

El objetivo es llevar los precios económicamente sostenibles a menos de 2 centavos por kilovatio-hora, dice, y llegar allí podría ser el resultado de un avance único en los materiales: "Todo lo que tiene que hacer es crear un material" que tenga la combinación correcta de propiedades, incluida la facilidad de fabricación, el bajo costo de los materiales y la alta eficiencia para convertir la luz solar. "Estamos colocando todas las piezas experimentales en su lugar para que podamos explorar más rápido", dice.