22.10.2021 - Lawrence Berkeley National Laboratory

Una nueva técnica abre el camino a las perovskitas perfectas

Un nuevo e interesante material solar llamado perovskita de haluro orgánico podría ayudar algún día a Estados Unidos a alcanzar sus ambiciones solares y a descarbonizar la red eléctrica. Mil veces más finos que el silicio, los materiales solares de perovskita pueden ajustarse para responder a diferentes colores del espectro solar simplemente alterando su mezcla de composición.

Fabricados normalmente a partir de moléculas orgánicas como el metilamonio y haluros metálicos inorgánicos como el yoduro de plomo, los materiales solares híbridos de perovskita tienen una gran tolerancia a los defectos en su estructura molecular y absorben la luz visible con más eficacia que el silicio, el estándar de la industria solar.

En conjunto, estas cualidades hacen que las perovskitas sean capas activas prometedoras no sólo en la fotovoltaica (tecnologías que convierten la luz en electricidad), sino también en otros tipos de dispositivos electrónicos que responden a la luz o la controlan, como los diodos emisores de luz (LED), los detectores y los láseres.

"Aunque las perovskitas ofrecen un gran potencial para ampliar enormemente la energía solar, aún no se han comercializado porque su síntesis fiable y su estabilidad a largo plazo han supuesto un reto para los científicos", afirma Carolin Sutter-Fella, científica de Molecular Foundry, una instalación de usuarios de nanociencia del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). "Ahora, el camino hacia las perovskitas perfectas puede estar pronto al alcance".

Un reciente estudio de Nature Communications, codirigido por Sutter-Fella, informa de que la fabricación de materiales solares podría verse favorecida por un nuevo y sofisticado instrumento que utiliza dos tipos de luz -luz invisible de rayos X y luz visible de láser- para sondear la estructura cristalina y las propiedades ópticas de un material de perovskita mientras se sintetiza.

"Cuando la gente hace películas solares delgadas, normalmente tiene un laboratorio de síntesis dedicado y necesita ir a otro laboratorio para caracterizarlo. Con nuestro desarrollo, se puede sintetizar y caracterizar completamente un material al mismo tiempo, en el mismo lugar", dijo.

Para este trabajo, Sutter-Fella reunió a un equipo internacional de científicos e ingenieros de primera línea para equipar una estación final de rayos X con un láser en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio de Berkeley.

La luz de rayos X altamente intensa del nuevo instrumento permite a los investigadores sondear la estructura cristalina del material de perovskita y desvelar detalles sobre los procesos químicos rápidos. Por ejemplo, puede utilizarse para caracterizar lo que ocurre en el segundo anterior y posterior a que una gota de un agente solidificante transforme una solución líquida precursora en una fina película sólida.

Al mismo tiempo, su láser puede utilizarse para crear electrones y agujeros (portadores de carga eléctrica) en la película fina de perovskita, lo que permite a los científicos observar la respuesta de un material solar a la luz, ya sea como producto acabado o durante las etapas intermedias de la síntesis del material.

"Equipar una estación final de la línea de rayos X con un láser permite a los usuarios sondear estas propiedades complementarias simultáneamente", explicó Sutter-Fella.

Esta combinación de mediciones simultáneas podría formar parte de un flujo de trabajo automatizado para supervisar la producción de perovskitas y otros materiales funcionales en tiempo real para el control del proceso y la calidad.

Las películas de perovskita se suelen fabricar mediante recubrimiento por rotación, una técnica asequible que no requiere equipos caros ni complicadas configuraciones químicas. Y el argumento a favor de las perovskitas es aún más brillante si se tiene en cuenta el gran consumo de energía que supone la fabricación de silicio en un dispositivo solar: el silicio requiere una temperatura de procesamiento de unos 2.732 grados Fahrenheit. En cambio, las perovskitas se procesan fácilmente a partir de una solución a temperatura ambiente a sólo 302 grados Fahrenheit.

La estación final de la línea de luz permite a los investigadores observar lo que ocurre durante la síntesis y, en particular, durante los primeros segundos del recubrimiento por rotación, una ventana de tiempo crítica durante la cual la solución precursora comienza a solidificarse lentamente hasta convertirse en una película fina.

La primera autora, Shambhavi Pratap, especializada en el uso de rayos X para estudiar materiales de energía solar de capa fina, desempeñó un papel fundamental en el desarrollo del instrumento como becaria de doctorado del ALS. Recientemente ha finalizado sus estudios de doctorado en el grupo Müller-Buschbaum de la Universidad Técnica de Múnich.

"El instrumento permitirá a los investigadores documentar cómo pequeñas cosas que normalmente se dan por sentadas pueden tener un gran impacto en la calidad y el rendimiento de los materiales", dijo Pratap.

"Para fabricar células solares reproducibles y eficientes a bajo coste, todo es importante", dijo Sutter-Fella. Añadió que el estudio fue un esfuerzo de equipo que abarcó una amplia gama de disciplinas científicas.

El trabajo es el último capítulo de un cuerpo de trabajo por el que Sutter-Fella fue galardonado con un Premio de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Berkeley de Carrera Temprana (LDRD) en 2017.

"Sabemos que la comunidad investigadora está interesada en utilizar esta nueva capacidad en el ALS", dijo. "Ahora queremos que sea fácil de usar para que más personas puedan aprovechar esta estación final".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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