El silicio, el material semiconductor estándar utilizado en una gran cantidad de aplicaciones (unidades de procesamiento central (CPU) de computadora), chips semiconductores, detectores y celdas solares, es un material abundante y natural. Sin embargo, es costoso extraerlo y purificarlo.
Las perovskitas, una familia de materiales apodados por su estructura cristalina, se han mostrado extraordinariamente prometedoras en los últimos años como un reemplazo mucho menos costoso e igualmente eficiente del silicio en las células solares y los detectores.
Pero ahora, un estudio dirigido por Chunlei Guo , profesor de óptica en la Universidad de Rochester , sugiere que las perovskitas pueden ser mucho más eficientes.
Los investigadores suelen sintetizar perovskitas en un laboratorio húmedo y luego aplican el material como una película sobre un sustrato de vidrio y exploran diversas aplicaciones.
En cambio, Guo propone un enfoque novedoso basado en la física. Mediante el uso de un sustrato de una capa de metal o capas alternas de metal y material dieléctrico, en lugar de vidrio, él y sus colegas descubrieron que podían aumentar la eficiencia de conversión de luz de la perovskita en un 250 por ciento.
Sus hallazgos se informan en Nature Photonics .
La nueva combinación de perovskita y metal crea 'mucha física sorprendente'
Los metales son probablemente los materiales más simples de la naturaleza, pero pueden fabricarse para adquirir funciones complejas. Guo Lab tiene una amplia experiencia en esta dirección. El laboratorio ha sido pionero en una variedad de tecnologías que transforman metales simples en negro azabache, superhidrofílicos (que atraen el agua) o superhidrofóbicos (repelentes al agua). Los metales mejorados se han utilizado para la absorción de energía solar y la purificación del agua en sus estudios recientes.
En este nuevo documento, en lugar de presentar una forma de mejorar el metal en sí, Guo Lab demuestra cómo usar el metal para mejorar la eficiencia de las pervoskitas.
"Una pieza de metal puede hacer tanto trabajo como la ingeniería química compleja en un laboratorio húmedo", dice Guo, y agrega que la nueva investigación puede ser particularmente útil para la futura recolección de energía solar".
En una celda solar, los fotones de la luz solar necesitan interactuar con los electrones y excitarlos, lo que hace que los electrones abandonen sus núcleos atómicos y generen una corriente eléctrica, explica Guo. Idealmente, la celda solar usaría materiales que son débiles para atraer los electrones excitados de regreso a los núcleos atómicos y detener la corriente eléctrica.
Plata y aluminio
El laboratorio de Guo demostró que dicha recombinación podría evitarse sustancialmente combinando un material de perovskita con una capa de metal o un sustrato de metamaterial que consiste en capas alternas de plata, un metal noble, y óxido de aluminio, un dieléctrico.
El resultado fue una reducción significativa de la recombinación de electrones a través de "mucha física sorprendente", dice Guo. En efecto, la capa de metal sirve como un espejo, que crea imágenes invertidas de pares de electrones y huecos, lo que debilita la capacidad de los electrones para recombinarse con los huecos.
El laboratorio pudo usar un detector simple para observar el aumento resultante del 250 por ciento en la eficiencia de conversión de luz.
Se deben resolver varios desafíos antes de que las perovskitas se vuelvan prácticas para las aplicaciones, especialmente su tendencia a degradarse relativamente rápido. Actualmente, los investigadores están compitiendo para encontrar nuevos materiales de perovskita más estables.
"A medida que surgen nuevas perovskitas, podemos usar nuestro método basado en la física para mejorar aún más su rendimiento", dice Guo.
La Fundación Bill y Melinda Gates, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias apoyaron esta investigación.
Físico
26/02/2023