26.11.2021 - University of Cambridge

El misterio de los nuevos materiales para células solares de alto rendimiento se revela con asombrosa claridad

La combinación de una serie de nuevas técnicas de microscopía reveló por qué los materiales de perovskita son aparentemente tan tolerantes a los defectos en su estructura

Investigadores de la Universidad de Cambridge han utilizado un conjunto de métodos de microscopía multimodal correlativa para visualizar, por primera vez, por qué los materiales de perovskita son aparentemente tan tolerantes a los defectos en su estructura.

El material más utilizado para fabricar paneles solares es el silicio cristalino, pero para lograr una conversión energética eficiente se requiere un proceso de producción que requiere mucha energía y tiempo para crear la estructura de oblea altamente ordenada que se necesita.

En la última década, los materiales de perovskita han surgido como alternativas prometedoras.

Las sales de plomo que se utilizan para fabricarlos son mucho más abundantes y baratas de producir que el silicio cristalino, y pueden prepararse en una tinta líquida que simplemente se imprime para producir una película del material. También muestran un gran potencial para otras aplicaciones optoelectrónicas, como los diodos emisores de luz (LED) de bajo consumo y los detectores de rayos X.

El impresionante rendimiento de las perovskitas es sorprendente. El modelo típico de un excelente semiconductor es una estructura muy ordenada, pero el conjunto de diferentes elementos químicos combinados en las perovskitas crea un paisaje mucho más "desordenado".

Esta heterogeneidad provoca defectos en el material que dan lugar a "trampas" a nanoescala, que reducen el rendimiento fotovoltaico de los dispositivos. Pero a pesar de la presencia de estos defectos, los materiales de perovskita siguen mostrando niveles de eficiencia comparables a los de sus alternativas de silicio.

De hecho, investigaciones anteriores del grupo han demostrado que la estructura desordenada puede aumentar el rendimiento de la optoelectrónica de perovskita, y su último trabajo trata de explicar por qué.

Combinando una serie de nuevas técnicas de microscopía, el grupo presenta una imagen completa del paisaje químico, estructural y optoelectrónico a nanoescala de estos materiales, que revela las complejas interacciones entre estos factores que compiten entre sí y, en última instancia, muestra cuál sale ganando.

Lo que vemos es que hay dos formas de desorden en paralelo", explica el estudiante de doctorado Kyle Frohna, "el desorden electrónico asociado a los defectos que reducen el rendimiento y el desorden químico espacial que parece mejorarlo".

Y lo que hemos descubierto es que el desorden químico -el desorden "bueno" en este caso- mitiga el desorden "malo" de los defectos al canalizar los portadores de carga lejos de estas trampas en las que podrían quedar atrapados".

En colaboración con el Laboratorio Cavendish de Cambridge, la instalación de sincrotrón Diamond Light Source de Didcot y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (Japón), los investigadores utilizaron varias técnicas microscópicas diferentes para observar las mismas regiones de la película de perovskita. Así pudieron comparar los resultados de todos estos métodos para presentar la imagen completa de lo que ocurre a escala nanométrica en estos nuevos y prometedores materiales.

"La idea es que hagamos algo que se llama microscopía multimodal, que es una forma muy elegante de decir que miramos la misma zona de la muestra con varios microscopios diferentes y básicamente intentamos correlacionar las propiedades que sacamos de uno con las propiedades que sacamos de otro", dice Frohna. "Estos experimentos consumen mucho tiempo y recursos, pero la recompensa que se obtiene en términos de la información que se puede extraer es excelente".

Los descubrimientos permitirán al grupo y a otros en este campo perfeccionar la fabricación de células solares de perovskita para maximizar su eficiencia.

"Durante mucho tiempo, la gente ha lanzado el término de tolerancia a los defectos, pero esta es la primera vez que alguien lo ha visualizado adecuadamente para tener una idea de lo que realmente significa ser tolerante a los defectos en estos materiales".

"Sabiendo que estos dos trastornos que compiten entre sí, podemos pensar en cómo modular eficazmente uno para mitigar los efectos del otro de la manera más beneficiosa".

"En cuanto a la novedad del enfoque experimental, hemos seguido una estrategia de microscopía multimodal correlativa, pero no sólo eso, cada técnica independiente es puntera por sí misma", afirma Miguel Anaya, investigador de la Real Academia de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge

"Hemos visualizado y dado razones por las que podemos llamar a estos materiales tolerantes a los defectos. Esta metodología permite abrir nuevas vías para optimizarlos a nanoescala y, en última instancia, mejorar su rendimiento para una aplicación concreta. Ahora podemos estudiar otros tipos de perovskitas que no sólo sirven para las células solares, sino también para los LED o los detectores, y comprender sus principios de funcionamiento".

"Y lo que es más importante, el conjunto de herramientas de adquisición que hemos desarrollado en este trabajo puede ampliarse para estudiar cualquier otro material optoelectrónico, algo que puede ser de gran interés para la comunidad científica de materiales en general".

"Gracias a estas visualizaciones, ahora comprendemos mucho mejor el paisaje a nanoescala de estos fascinantes semiconductores: lo bueno, lo malo y lo feo", afirma Sam Stranks, profesor adjunto de la Universidad en el área de Energía del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge.

"Estos resultados explican cómo la optimización empírica de estos materiales por parte del campo ha llevado a estas perovskitas de composición mixta a rendimientos tan elevados. Pero también ha revelado planos para el diseño de nuevos semiconductores que pueden tener atributos similares, en los que el desorden puede explotarse para adaptar el rendimiento."

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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