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(Noticias de Nanowerk) Una célula solar de perovskita desarrollada por ingenieros de la Universidad de California en San Diego está acercando a los investigadores a romper el techo de la eficiencia de las células solares, sugiere un estudio publicado en Naturaleza («Superred de perovskita con dinámica de portador de carga eficiente»).
La nueva célula solar es un material de perovskita de baja dimensionalidad y sin plomo con una estructura de cristal de superred, una novedad en este campo. Lo especial de este material es que tiene una dinámica de portador de carga eficiente en tres dimensiones y la orientación de su dispositivo puede ser perpendicular a los electrodos. Los materiales en esta clase particular de perovskitas hasta ahora solo han mostrado tal dinámica en dos dimensiones: nunca se ha descrito una celda solar orientada verticalmente.
Gracias a su estructura específica, este nuevo tipo de celda solar superlattice alcanza una eficiencia del 12,36 %, que es el valor más alto para las celdas solares de perovskita sin plomo de pequeñas dimensiones (la eficiencia del récord anterior es del 8,82 %). La nueva celda solar también tiene un voltaje de circuito abierto inusual de 0,967 V, que está por encima del límite teórico de 0,802 V. Ambos resultados han sido certificados de forma independiente.
El voltaje de circuito abierto es una propiedad de las celdas solares que contribuye a su eficiencia, por lo que esta nueva celda solar «puede tener el potencial de romper la frontera de eficiencia teórica de las celdas solares actuales», dijo el autor principal del estudio, Sheng Xu, profesor de nanoingeniería en UC San. diego «Algún día, esto podría permitirnos obtener más eficiencia con más energía de los paneles solares existentes, o generar la misma cantidad de energía con paneles solares más pequeños a un costo menor».
Los investigadores sospechan que el voltaje de circuito abierto mejorado del material podría atribuirse a un nuevo mecanismo físico al que llaman relajación de la portadora intrabanda. La estructura de superred única del material permite la integración de diferentes componentes de la célula solar en la dirección vertical, lo que da como resultado una estructura de doble banda a escala atómica. Bajo la luz, los electrones excitados podrían relajarse de un componente (rango de banda prohibida más pequeño) a otro componente (rango de banda prohibida más grande) antes de equilibrarse para cambiar los niveles de Fermi en la celda solar de superred. Esto contribuye a un mayor voltaje de circuito abierto. Se ha demostrado que este proceso está relacionado con el potencial incorporado en la celda solar de superred. Los investigadores también reconocen que existen otros mecanismos posibles que ocurren en la estructura de superred única que podría contribuir a su voltaje de circuito abierto inusualmente alto.
Para fabricar la nueva célula solar de perovskita de baja dimensionalidad y sin plomo, los investigadores utilizaron técnicas químicas de epitaxia para fabricar una red de cristal de superred. La estructura de la red es única porque consiste en pozos cuánticos de perovskita alineados verticalmente y entrecruzados. Esta estructura entrecruzada hace que la dinámica del portador de carga del material, que incluye la movilidad de los electrones, la vida útil y las rutas de conducción en las tres dimensiones, sea más eficiente que solo múltiples pozos cuánticos. Estas técnicas se pueden utilizar potencialmente para crear superredes de perovskita con diferentes composiciones.
«Esta superred de perovskita muestra un rendimiento de transporte de portadores sin precedentes con el que muchos investigadores en este campo han soñado», dijo Yusheng Lei, autor principal de este artículo, quien tiene un doctorado. estudiante en el laboratorio de Xu en UC San Diego y ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Stanford.
La superred consiste en una separación de fases mediante nanoingeniería entre regiones Sn-I intactas y aleadas con Bi3+ en múltiples pozos cuánticos alineados verticalmente. Esta composición produce variaciones de componentes a escala atómica, lo que a su vez permite que los portadores de carga caliente crucen rápidamente la interfaz heteroestructural del pozo multicuántico antes de relajarse, una hazaña que normalmente es imposible de lograr, explicaron los investigadores. Aquí es posible cruzar la interfase heteroestructural debido a la corta longitud de difusión requerida.
«Este trabajo abre muchos nuevos y emocionantes potenciales para la clase de materiales de perovskita sin plomo de pequeña dimensión», dijo Xu. En el futuro, el equipo trabajará para optimizar y escalar el proceso de fabricación para producir los cristales de superred, que en la actualidad sigue siendo tedioso y desafiante. Xu espera involucrar a socios en la industria de las células solares para estandarizar el proceso.
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