Células solares de perovskita: Conocimiento de las primeras etapas de la formación de la estructura
Investigación de la química coloidal de las soluciones precursoras de perovskita
Utilizando la dispersión de ángulo pequeño en la línea de rayos X PTB de BESSY II, un equipo de HZB pudo investigar experimentalmente la química coloidal de las soluciones precursoras de perovskita utilizadas para la producción de células solares. Los resultados contribuyen a la optimización específica y sistemática del proceso de fabricación y la calidad de estos apasionantes materiales semiconductores.
Utilizando la dispersión de ángulo pequeño se han explorado las primeras etapas de la formación de la estructura en las soluciones precursoras de las células solares de perovskita.
© M. Flatken/HZB
Los semiconductores de perovskita de haluro son materiales baratos, versátiles y de alto rendimiento que se utilizan en las células solares y en los dispositivos optoelectrónicos. Las películas delgadas de perovskita cristalina necesarias para este fin se preparan a baja temperatura a partir de una solución: Mientras el disolvente se evapora durante un paso de recocido, los yodoplumbatos altamente coordinados interactúan y posteriormente forman la película fina policristalina. La calidad de la película fina determina en última instancia el rendimiento del material semiconductor. Hasta ahora, no ha sido posible lograr una impresión completa del papel de la química coloidal en el precursor que se considera direccional para la cristalinidad y el procesamiento posterior.
Observación de la formación de estructuras
Ahora, un equipo del HZB dirigido por el profesor Antonio Abate ha utilizado la dispersión de ángulo pequeño para determinar experimentalmente cómo los elementos inicialmente desordenados en la solución del precursor encuentran su camino hacia las subunidades primarias, interactuando y proporcionando así una primera disposición "precristalina" para su posterior conversión en películas delgadas de perovskita.
Los resultados indican que se forman subgrupos primarios compuestos por plomo y yodo, los llamados yodoplumbatos, en los que un átomo de plomo es octaédrico rodeado por seis átomos de yodo. Estas subunidades forman además una red coloidal dinámica a la que se incorpora el catión orgánico metilamonio, del que surge la conocida estructura de perovskita.
"Mientras que los métodos convencionales nos han limitado hasta ahora a medir sólo soluciones de precursor muy diluidas, el instrumento ASAXS de HZB en la línea de luz FCM del PTB en BESSY II permite estudiar el precursor a una concentración aplicable para la fabricación de células solares", subraya Marion Flatken, que realizó las mediciones como parte de su tesis doctoral.
Los datos de dispersión de ángulo pequeño muestran una clara evidencia
"La dispersión de ángulo pequeño es ideal para medir nanopartículas y subestructuras en soluciones", explica el Dr. Armin Hoell, experto en dispersión de ángulo pequeño y autor correspondiente del estudio. "Los datos medidos proporcionan una clara evidencia de la formación de grupos iniciales de tamaño nanométrico, que se ajustan bien al octaedro de PbI6 en términos de dimensión y se organizan de manera dependiente de la concentración. Y lo que es más importante, las mediciones son también muy reproducibles".
La técnica presentada y los resultados relacionados con ella pueden ayudar a optimizar aún más el proceso de fabricación y a controlar de forma más sistemática la calidad de las películas finas de perovskita durante la fabricación de células solares en busca de rendimientos óptimos.
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