Perovskita de diseño para células solares baratas y eficientes
Investigadores de Cambridge han desarrollado un método para estabilizar un material prometedor conocido como perovskita para células solares baratas, sin afectar a su rendimiento casi perfecto.
Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, utilizaron una molécula orgánica como "plantilla" para guiar las películas de perovskita a la fase deseada a medida que se forman. Sus resultados se publican en la revista Science.
Los materiales de perovskita ofrecen una alternativa más barata al silicio para producir dispositivos optoelectrónicos como células solares y LED.
Hay muchas perovskitas diferentes, que resultan de diferentes combinaciones de elementos, pero una de las más prometedoras que ha surgido en los últimos años es el cristal FAPbI3 basado en formamidinio (FA).
El compuesto es térmicamente estable y su "banda prohibida" inherente, la propiedad más estrechamente vinculada a la producción de energía del dispositivo, no está lejos de ser ideal para aplicaciones fotovoltaicas.
Por estas razones, ha sido el foco de los esfuerzos desarrollar células solares de perovskita disponibles comercialmente. Sin embargo, el compuesto puede existir en dos fases ligeramente diferentes, una fase que conduce a un excelente rendimiento fotovoltaico y la otra que produce muy poca producción de energía.
"Un gran problema con FAPbI3 es que la fase que se desea solo es estable a temperaturas superiores a 150 grados Celsius", dijo Tiarnan Doherty del Laboratorio Cavendish de Cambridge, primer autor del artículo. "A temperatura ambiente, pasa a otra fase, lo que es realmente malo para la energía fotovoltaica".
Las soluciones recientes para mantener el material en su fase deseada a temperaturas más bajas han involucrado la adición de diferentes iones positivos y negativos al compuesto.
"Eso ha sido exitoso y ha dado lugar a un récord de dispositivos fotovoltaicos, pero todavía se producen pérdidas de energía locales", dijo Doherty, quien también está afiliado al Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología. "Terminas con regiones locales en la película que no están en la fase correcta".
Se sabía poco acerca de por qué las adiciones de estos iones mejoraron la estabilidad en general, o incluso cómo se veía la estructura de perovskita resultante.
"Había un consenso común de que cuando las personas estabilizan estos materiales, tienen una estructura cúbica ideal", dijo Doherty. "Pero lo que hemos demostrado es que al agregar todas estas otras cosas, no son cúbicas en absoluto, están muy ligeramente distorsionadas. Hay una distorsión estructural muy sutil que da cierta estabilidad inherente a temperatura ambiente ".
La distorsión es tan pequeña que previamente no se había detectado, hasta que Doherty y sus colegas utilizaron técnicas sensibles de medición estructural que no se han utilizado ampliamente en materiales de perovskita.
El equipo utilizó difracción electrónica de barrido, difracción de nano-rayos X y resonancia magnética nuclear para ver, por primera vez, cómo se veía realmente esta fase estable.
"Una vez que nos dimos cuenta de que era la ligera distorsión estructural la que daba esta estabilidad, buscamos formas de lograrlo en la preparación de la película sin agregar ningún otro elemento a la mezcla".
El coautor Satyawan Nagane usó una molécula orgánica llamada ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) como aditivo en la solución precursora de perovskita, que actúa como un agente de plantilla, guiando a la perovskita a la fase deseada a medida que se forma. El EDTA se une a la superficie de FAPbI3 para dar un efecto de dirección de estructura, pero no se incorpora a la estructura de FAPbI3 en sí.
"Con este método, podemos lograr la banda prohibida deseada porque no estamos agregando nada adicional al material, es solo una plantilla para guiar la formación de una película con la estructura distorsionada, y la película resultante es extremadamente estable", dijo Nagane.
"De esta manera, puede crear esta estructura ligeramente distorsionada en solo el compuesto prístino FAPbI3, sin modificar las otras propiedades electrónicas de lo que es esencialmente un compuesto casi perfecto para la energía fotovoltaica de perovskita", dijo el coautor Dominik Kubicki del Laboratorio Cavendish. que ahora tiene su sede en la Universidad de Warwick.
Los investigadores esperan que este estudio fundamental ayude a mejorar la estabilidad y el rendimiento de la perovskita. Su propio trabajo futuro involucrará la integración de este enfoque en dispositivos prototipo para explorar cómo esta técnica puede ayudarlos a lograr las células fotovoltaicas de perovskita perfectas.
"Estos hallazgos cambian nuestra estrategia de optimización y las pautas de fabricación para estos materiales", dijo el autor principal, el Dr. Sam Stranks, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge.
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