21.04.2020 - Ames Laboratory

Un nuevo descubrimiento resuelve el antiguo debate sobre los materiales fotovoltaicos

Los científicos han teorizado que las perovskitas de haluro organometálico - una clase de materiales "maravilla" de recolección de luz para aplicaciones en células solares y electrónica cuántica - son tan prometedoras debido a un mecanismo invisible pero muy controvertido llamado el efecto Rashba. Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos han probado experimentalmente la existencia de este efecto en las perovskitas de gran tamaño, utilizando cortos estallidos de luz en microondas para producir y luego grabar un ritmo, muy parecido a la música, del movimiento cuántico acoplado de átomos y electrones en estos materiales.

Las perovskitas de haluro organometálico se introdujeron por primera vez en las células solares hace aproximadamente una década. Desde entonces, se han estudiado intensamente para su uso en dispositivos de recogida de luz, fotónicos y de transporte electrónico, ya que ofrecen propiedades ópticas y dieléctricas muy buscadas. Combinan el alto rendimiento de conversión de energía de los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos tradicionales, con el bajo costo de los materiales y los métodos de fabricación de las versiones orgánicas.

Las investigaciones realizadas hasta ahora han formulado la hipótesis de que las extraordinarias propiedades electrónicas, magnéticas y ópticas de los materiales están relacionadas con el efecto Rashba, un mecanismo que controla la estructura magnética y electrónica y la vida útil de los portadores de carga. Pero a pesar de los intensos estudios y debates recientes, las pruebas concluyentes de los efectos Rashba en las perovskitas de haluro organometálico a granel, utilizadas en las células solares de perovskita más eficientes, siguen siendo muy difíciles de obtener.

Los científicos del Laboratorio Ames descubrieron esa evidencia utilizando luz terahertz, ráfagas de luz extremadamente fuertes y poderosas que se disparan a trillones de ciclos por segundo, para encender o sincronizar un "ritmo" de movimiento cuántico dentro de una muestra de material; y una segunda ráfaga de luz para "escuchar" los ritmos, activando un receptor ultrarrápido para registrar imágenes del estado oscilatorio de la materia. Este enfoque superó las limitaciones de los métodos de detección convencionales, que no tenían la resolución ni la sensibilidad necesarias para captar las pruebas del efecto Rashba ocultas en la estructura atómica de la materia.

"Nuestro descubrimiento resuelve el debate sobre la presencia de los efectos Rashba: Existen en materiales de perovskita de haluro metálico a granel", dijo Jigang Wang, científico principal del Laboratorio Ames y profesor de física de la Universidad Estatal de Iowa. "Al dirigir los movimientos cuánticos de los átomos y los electrones para diseñar las bandas divididas de Rashba, logramos un salto significativo para el descubrimiento fundamental del efecto que había sido ocultado por las fluctuaciones locales aleatorias, y también abrimos oportunidades emocionantes para las aplicaciones espintrónicas y fotovoltaicas basadas en el control cuántico de los materiales de perovskita".

  • Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Song, D. Cheng, Y. Shi , L. Luo, D.-H. Mudiyanselage, C. Huang, J.-M. Park, R.H.J. Kim, J. Zhao,Y. Yan, K.-M. Ho, and J. Wang; "Ultrafast Control of Excitonic Rashba Fine Structure by Phonon Coherence in the Metal Halide Perovskite CH3NH3PbI3."; Physical Review Letters.

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