La perovskita da un empujón a las células solares ultradelgadas

Ingenieros de la Universidad de Rice han alcanzado un nuevo punto de referencia en el diseño de células solares atómicamente delgadas hechas de perovskitas semiconductoras, lo que aumenta su eficiencia y conserva su capacidad para mejorar el medio ambiente.

El laboratorio de Aditya Mohite  de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso es a menudo medido en fracciones de un porcentaje.

“En 10 años, las eficiencias de las perovskitas se han disparado de alrededor del 3% a más del 25%”, dijo Mohite. “Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar allí. Por eso estamos tan emocionados".

La investigación aparece en Nature Nanotechnology .

"Se espera que una tecnología de células solares funcione durante 20 a 25 años", explica Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. “Llevamos muchos años trabajando y seguimos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. Por el contrario, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para colocarlas en un techo.Las perovskitas son compuestos que tienen celosías de cristal en forma de cubos y son recolectores de luz altamente eficientes. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un acertijo: son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz solar y la humedad los degradan.

“El gran problema ha sido hacerlos eficientes sin comprometer la estabilidad”, dijo.

Los ingenieros de Rice y sus colaboradores en las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EEUU de Los Alamos, Argonne y Brookhaven y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, la luz solar efectivamente contrae el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad para transportar una corriente.

“Descubrimos que cuando se enciende el material, se aprieta como una esponja y se juntan las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección”, dijo Mohite. Los investigadores encontraron que colocar una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la parte inferior mejoraba las interacciones entre las capas.

“Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales luz-materia sin crear heteroestructuras complejas como dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados”, dijo.“Este trabajo tiene implicaciones significativas para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la carga negativa en la otra y pueden comunicarse entre sí”, asegura Mohite. “Estos se llaman excitones , que pueden tener propiedades únicas".

Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos de colegas en Francia. Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar a la intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4% a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en 1 minuto bajo la intensidad de cinco soles.

“No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red induce una gran mejora del flujo de electrones”, dijo el estudiante graduado de Rice Applied Physics y coautor principal Wenbin Li. "Nuestra investigación muestra un aumento de tres veces en la conducción de electrones del material".

Al mismo tiempo, la naturaleza de la celosía hizo que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados Celsius (176 grados Fahrenheit). Los investigadores también encontraron que la celosía se relajó rápidamente y volvió a su configuración normal una vez que se apagó la luz.

“Una de las principales atracciones de las perovskitas 2D era que generalmente tienen átomos orgánicos que actúan como barreras a la humedad, son térmicamente estables y resuelven problemas de migración de iones”, dijo el estudiante graduado y coautor principal Siraj Sidhik. “Las perovskitas 3D son propensas a la inestabilidad del calor y la luz, por lo que los investigadores comenzaron a colocar capas 2D encima de perovskitas a granel para ver si podían obtener lo mejor de ambas.

"Pensamos, simplemente pasemos a 2D y hagámoslo eficiente", dijo.

Para observar la contracción del material en acción, el físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, utilizó los rayos X ultrabrillantes del APS para capturar minúsculos cambios estructurales en el material en tiempo real. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la célula solar a la luz solar simulada mientras mantenían la temperatura constante, y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.

Como experimento de control, Strzalka y sus coautores también mantuvieron la habitación a oscuras y elevaron la temperatura, observando el efecto opuesto: una expansión del material. Esto mostró que fue la luz en sí misma, no el calor que generó, lo que causó la transformación.

Eso podría ayudar al equipo de Rice a ajustar los materiales para un rendimiento aún mejor. "Estamos en camino de obtener una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de los cationes y las interfaces", dijo Sidhik. “Cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces la gente comenzaría a usar perovskitas 2D para tándems de perovskita / silicio 2D y perovskita 2D / 3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%. Eso lo haría atractivo para la comercialización".