Cristales brillantes: acercando los materiales de calcogenuros a su aplicación práctica
Primera medición experimental de la eficiencia luminosa de las perovskitas de calcogenuros: estos materiales emiten luz de forma mucho más eficiente de lo que se pensaba
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Los calcogenuros son materiales versátiles que son objeto de una intensa investigación para su aplicación en células solares, fotodetectores y otras aplicaciones relacionadas con la conversión de luz y energía. Investigadores del laboratorio «Transport at Nanoscale Interfaces» de Empa han logrado medir por primera vez con éxito la eficiencia de emisión de luz de las perovskitas de calcogenuros, demostrando que son mucho más eficientes en la emisión de luz de lo que se esperaba. Los investigadores también están explorando prometedoras propiedades superconductoras y cuánticas en una forma acicular del material que antes se consideraba un subproducto indeseable.
Una célula solar típica está fabricada con silicio cristalino y convierte aproximadamente el 20 % de la luz solar incidente en energía. Esta es la forma más habitual de fabricar una célula solar, pero no la única. Otros materiales pueden, por ejemplo, permitir la fabricación de células ligeras y flexibles, requerir menos energía durante su fabricación o aumentar su eficiencia.
Las células solares de perovskita son una alternativa prometedora. En ciencia de los materiales, el término «perovskita» no se refiere a un compuesto químico específico, sino más bien a un tipo de estructura material. Los representantes más conocidos son las perovskitas halogenadas, que son objeto de una intensa investigación en la Empa y en otros centros, y que está comercializando Perovskia Solar, una empresa derivada de la Empa. Sin embargo, otros materiales también pueden adoptar esta estructura cristalina de perovskita.
Una estrella en ascenso en el mundo de las perovskitas son las denominadas perovskitas de calcogenuros. Los calcogenuros son estables, están compuestos por elementos no tóxicos que abundan en la corteza terrestre y poseen las propiedades ópticas y electrónicas necesarias para las células solares y aplicaciones similares —al menos en teoría—. Esto se debe a que, hasta ahora, una de las propiedades más importantes —la eficiencia de emisión de luz— no se había demostrado experimentalmente en estos materiales.
Un equipo de investigadores de la Empa, dirigido por Mirjana Dimitrievska, en colaboración con Susan Schorr, del Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie de Berlín, y otros socios, ha demostrado ahora por primera vez la eficiencia de emisión de luz en las perovskitas de calcogenuros. Los investigadores han publicado los resultados de su estudio en la revista Advanced Optical Materials.
«Ver» el material
Para provocar la fotoluminiscencia —la capacidad de «iluminarse», por así decirlo— del material, los investigadores de la Empa estudiaron un cristal de sulfuro de bario y circonio, una perovskita de calcogenuro, que se había producido en el Centro Helmholtz. Para ello, emplearon métodos espectroscópicos avanzados, una especialidad del grupo de investigación de Mirjana Dimitrievska. «Hemos demostrado que el material presenta una fotoluminiscencia relativamente intensa. Sin embargo, cuando se produce en forma de película delgada, esta fotoluminiscencia se ve fuertemente atenuada por los defectos introducidos durante la síntesis y el procesamiento», explica la investigadora. «No obstante, nuestros resultados con monocristales coinciden muy bien con la teoría».
La discrepancia entre la teoría y la práctica es un aspecto fundamental de la ciencia de los materiales. «El desarrollo de materiales suele comenzar con la teoría», afirma Dimitrievska. «Los científicos especializados en materiales computacionales utilizan modelos teóricos y cálculos para identificar qué materiales podrían ser adecuados para una aplicación específica. A continuación, estos materiales se sintetizan y se procesan para obtener componentes prototípicos iniciales, como piezas de dispositivos tales como células solares o fotodetectores, con el fin de comprobar su rendimiento y si cumplen las expectativas».
Cuando la práctica se desvía de la teoría, corresponde a expertos en espectroscopia como Dimitrievska determinar el porqué. «Podemos determinar, por ejemplo, si el proceso de síntesis no fue óptimo y el material presenta demasiados defectos, o si el problema radica en las conexiones eléctricas del prototipo», explica. A partir de estos hallazgos, se perfeccionan tanto la síntesis como el procesamiento del material, hasta que esté listo para su aplicación. Aún queda mucho trabajo de desarrollo por delante antes de que las perovskitas de calcogenuros puedan utilizarse en la práctica. Sin embargo: «Nuestro estudio ha demostrado que estos materiales tienen un gran potencial y que merece la pena seguir investigándolos», concluye Dimitrievska.
Un subproducto se hace un nombre
Las posibles aplicaciones pueden cambiar a medida que se desarrolla el material. Los materiales para células solares también son de interés para otras aplicaciones optoelectrónicas, como los fotodetectores. Y, a veces, surgen aplicaciones totalmente inesperadas. Durante la síntesis de las perovskitas de calcogenuro a partir de sus elementos constituyentes, se forma un subproducto. En lugar de la red cristalina de la perovskita, se forman diminutas estructuras en forma de aguja con sección transversal hexagonal. Esta fase, antes considerada indeseable, presenta propiedades sorprendentes. Las agujas de calcogenuro polarizan, refractan y conducen la luz de formas únicas, además de mostrar potencial como superconductores y como materiales cuánticos.
En un proyecto financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) como parte de su programa internacional Weave, Dimitrievska y su equipo, en colaboración con la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (Alemania), se proponen ahora investigar estas «agujas cuánticas», seguir desarrollando su síntesis, comprender mejor sus propiedades únicas e integrarlas en los primeros componentes fotónicos y electrónicos.
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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