Los ingenieros de la Universidad de Rice han logrado un nuevo hito en el diseño de células solares atómicamente finas hechas de perovskitas semiconductoras, aumentando su eficiencia y conservando su capacidad de resistencia al medio ambiente. El laboratorio de Aditya Mohite, de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, descubrió que la propia luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas de las perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo en el que los avances suelen medirse en fracciones de porcentaje. La investigación "Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells" aparece en Nature Nanotechnology.
"En 10 años, la eficiencia de las perovskitas se ha disparado desde el 3% hasta más del 25%", afirma Mohite. "Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar a ese nivel. Por eso estamos tan entusiasmados". Las perovskitas son compuestos que tienen retículas cristalinas en forma de cubo y son captadores de luz muy eficaces. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un enigma: son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz del sol y la humedad los degradan.
"Se espera que una tecnología de células solares funcione durante 20 o 25 años", afirma Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de los materiales y nanoingeniería. "Llevamos muchos años trabajando y seguimos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. En cambio, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para ponerlas en un techo".
"El gran problema ha sido hacerlas eficientes sin comprometer la estabilidad", dijo.
Los ingenieros de Rice y sus colaboradores de las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE.UU., Los Álamos, Argonne y Brookhaven, y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) de Rennes (Francia), descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, la luz solar encoge efectivamente el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad de transportar corriente.
“Descubrimos que, al iluminar el material, lo estrujamos como una esponja y juntamos las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección", explicó Mohite. Los investigadores descubrieron que colocar una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la inferior mejoraba las interacciones entre las capas.
"Este trabajo tiene importantes implicaciones para el estudio de los estados excitados y las cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la negativa en la otra y pueden hablar entre sí", dijo Mohite. "Se trata de los llamados excitones, que pueden tener propiedades únicas. "Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales entre la luz y la materia sin necesidad de crear complejas heteroestructuras como los dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados", dijo.
Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos realizados por colegas de Francia. "Este estudio ofreció una oportunidad única de combinar técnicas de simulación ab initio de última generación, investigaciones de materiales utilizando instalaciones nacionales de sincrotrón a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento", dijo Jacky Even, profesor de física del INSA. "El artículo describe por primera vez cómo un fenómeno de percolación libera repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita".
Ambos resultados mostraron que, tras 10 minutos bajo un simulador solar a una intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4% a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto puede verse en 1 minuto bajo la intensidad de cinco soles.
"No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espacio de la red induce una gran mejora del flujo de electrones", dijo el estudiante graduado de Física Aplicada de Rice y coautor principal, Wenbin Li. "Nuestra investigación demuestra que la conducción de electrones del material se triplica". Al mismo tiempo, la naturaleza del entramado hacía que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados Celsius (176 grados Fahrenheit). Los investigadores también descubrieron que la red volvía rápidamente a su configuración normal cuando se apagaba la luz.
"Uno de los principales atractivos de las perovskitas 2D es que suelen tener átomos orgánicos que actúan como barreras contra la humedad, son térmicamente estables y resuelven los problemas de migración de iones", explica Siraj Sidhik, estudiante de posgrado y coautor del estudio. "Las perovskitas 3D son propensas a la inestabilidad térmica y lumínica, así que los investigadores empezaron a poner capas 2D sobre las perovskitas a granel para ver si podían obtener lo mejor de ambas.
"Pensamos: pasemos a las 2D solamente y hagámoslas eficientes", dijo.
Para observar la contracción del material en acción, el equipo utilizó dos instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE): la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II del Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE y la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Laboratorio Nacional de Argonne del DOE.
El físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, utilizó los rayos X ultrabrillantes de la APS para captar en tiempo real minúsculos cambios estructurales en el material. Los sensibles instrumentos de la línea de rayos 8-ID-E del APS permiten realizar estudios "operando", es decir, aquellos que se llevan a cabo mientras el dispositivo está sometido a cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de funcionamiento. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la célula solar a la luz solar simulada mientras mantenían la temperatura constante, y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.
Como experimento de control, Strzalka y sus coautores también mantuvieron la habitación a oscuras y aumentaron la temperatura, observando el efecto contrario, una expansión del material. Esto demostró que era la propia luz, y no el calor que generaba, lo que provocaba la transformación.
"Para cambios como éste, es importante hacer estudios operando", dijo Strzalka. "De la misma manera que su mecánico quiere hacer funcionar su motor para ver lo que ocurre en su interior, nosotros queremos esencialmente tomar un vídeo de esta transformación en lugar de una sola instantánea. Instalaciones como el APS nos permiten hacerlo".
Strzalka señaló que el APS está en medio de una importante actualización que aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces. Cuando se complete, dijo, los rayos más brillantes y los detectores más rápidos y nítidos mejorarán la capacidad de los científicos para detectar estos cambios con una sensibilidad aún mayor.
Esto podría ayudar al equipo de Rice a ajustar los materiales para obtener un rendimiento aún mayor. "Estamos en el camino de conseguir una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de los cationes y las interfaces", dijo Sidhik. "Esto lo cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces se empezarían a utilizar perovskitas 2D para tándems de perovskitas 2D/silicio y perovskitas 2D/3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%. Eso lo haría convincente para la comercialización".
Para más información, visite: https://news.rice.edu/news/2021/ultrathin-solar-cells-get-boost
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