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(noticias nanowerk) Una idea para prevenir la rápida degradación de los semiconductores de perovskita descubiertos en la Universidad de Michigan podría ayudar a crear células solares que se estima que son entre dos y cuatro veces más baratas que los paneles solares de película delgada actuales.
Los resultados fueron publicados en celúla (“Diseño molecular de pasivadores defectuosos para películas de perovskita de haluros metálicos térmicamente estables”).
Las perovskitas también se pueden combinar con los semiconductores basados en silicio que prevalecen en los paneles solares actuales para crear células solares «en tándem» que podrían superar la eficiencia teórica máxima de las células solares de silicio.
![Unas pinzas sostienen una célula solar de perovskita, que parece una placa delgada y cuadrada. Los electrodos de la celda parecen rectángulos plateados en la superficie de la celda y la superficie negra circundante es la película de perovskita.](https://www.nanowerk.com/news2/green/id64399_1.jpg)
«Las células solares de silicio son excelentes porque son muy eficientes y pueden durar mucho tiempo, pero la alta eficiencia tiene un alto costo», dijo Xiwen Gong, profesor asistente de ingeniería química en la UM. “Para producir silicio de alta pureza se necesitan temperaturas superiores a los 1.000 grados centígrados. De lo contrario, la eficiencia no es tan buena”.
Las altas temperaturas van acompañadas de mayores costes económicos y ecológicos. Pero si bien las perovskitas se pueden fabricar a temperaturas más bajas, se degradan cuando se exponen al calor, la humedad y el aire. Por lo tanto, la vida útil de la perovskita es ahora demasiado corta para ser comercialmente competitiva en módulos solares.
La investigación de Gong tiene como objetivo crear células solares de perovskita más resistentes, y su último estudio, publicado en la revista Matter, sugiere que las moléculas voluminosas «calmante de defectos» aumentan mejor la estabilidad de las perovskitas y su vida útil general.
Los cristales de perovskita contienen átomos de plomo que no están completamente unidos a los demás componentes de la perovskita. Estos «sitios poco coordinados» son defectos que a menudo ocurren en las superficies de los cristales y en los límites de los granos, donde se produce una ruptura en la red cristalina. Estos defectos impiden el movimiento de los electrones y aceleran la desintegración del material de perovskita.
![Las tres moléculas aditivas están dispuestas a lo largo de la superficie amarilla de los cristales de perovskita en orden creciente de número de sitios de unión (Nc), peso molecular (Mw) e impedimento estérico.](https://www.nanowerk.com/news2/green/id64399_2.jpg)
Los ingenieros ya saben que mezclar moléculas calmantes de defectos en las perovskitas puede ayudar a contener el plomo descoordinado, evitando que se formen otros defectos a altas temperaturas. Sin embargo, hasta ahora los ingenieros no sabían exactamente cómo una determinada molécula afecta a la resistencia de las células de perovskita.
«Queríamos descubrir qué características de las moléculas mejoran específicamente la estabilidad de la perovskita», dijo Hongki Kim, ex investigador postdoctoral en ingeniería química y uno de los primeros autores del estudio.
Para estudiar el problema, el equipo de Gong desarrolló tres aditivos de diferentes formas y tamaños y los añadió a películas delgadas de cristales de perovskita que pueden absorber la luz y convertirla en electricidad. Cada aditivo contenía componentes químicos iguales o similares, por lo que el tamaño, el peso y la disposición eran las principales características que los diferenciaban.
A continuación, el equipo midió la intensidad con la que los distintos aditivos interactuaban con las perovskitas y, por tanto, influían en la formación de defectos en las películas. Las moléculas más grandes pudieron adherirse mejor a la perovskita porque tenían más sitios de unión que interactúan con los cristales de perovskita. Como resultado, tendían a ser más capaces de prevenir la aparición de defectos.
Pero los mejores aditivos también tenían que ocupar mucho espacio. Las moléculas grandes pero delgadas dieron como resultado granos de perovskita más pequeños durante el proceso de fabricación. Los granos más pequeños no son ideales porque también crean células de perovskita con más límites de grano o más áreas para que se formen defectos. Por el contrario, las moléculas voluminosas forzaron la formación de granos de perovskita más grandes, lo que a su vez redujo la densidad de los límites de los granos en la película.
Calentar las películas de perovskita a más de 200 grados Celsius confirmó que los aditivos voluminosos ayudaron a que las películas conservaran más de su característico color negro pizarra y desarrollaran menos defectos estructurales.
“Tanto el tamaño como la configuración son importantes en el diseño aditivo, y creemos que esta filosofía de diseño podría aplicarse a varias formulaciones de perovskita para mejorar aún más la vida útil de las células solares, dispositivos emisores de luz y fotodetectores de perovskita”, dijo Carlos Alejandro Figueroa Morales, graduado estudiante de ciencias e ingeniería macromoleculares y uno de los primeros autores del estudio.
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