[ad_1]
(noticias nanowerk) Las perovskitas, una amplia clase de compuestos con una estructura cristalina peculiar, se han considerado durante mucho tiempo una alternativa o complemento prometedor a los paneles solares actuales de telururo de silicio o cadmio. Podrían ser mucho más livianos y menos costosos y podrían aplicarse a prácticamente cualquier sustrato, incluido papel o plástico flexible que podría enrollarse para facilitar su transporte.
En su eficiencia para convertir la luz solar en electricidad, las perovskitas son comparables al silicio, cuya producción aún requiere procesos largos, complejos y que consumen mucha energía. Un importante inconveniente que persiste es la longevidad: tienden a descomponerse en meses o años, mientras que los paneles solares de silicio pueden durar más de dos décadas. Y su eficiencia en áreas de módulos grandes todavía está por detrás de la del silicio.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha demostrado formas de optimizar la eficiencia y controlar mejor la degradación mediante la ingeniería de la estructura a nanoescala de los dispositivos de perovskita.
El estudio revela nuevos conocimientos sobre la producción de células solares de perovskita altamente eficientes y también ofrece nuevas vías para los ingenieros que trabajan para llevar estas células solares al mercado comercial.
El trabajo se describe en la revista. energía natural (“Reduced Recombination via Tunable Surface Fields in Perovskite Thin Films”), en un artículo de Dane deQuilettes, un nuevo becario postdoctoral del MIT que ahora es cofundador y director científico del spinout del MIT Optigon, junto con los profesores del MIT Vladimir Bulovic y Moungi. Bawendi y otras diez personas en el MIT, así como en el estado de Washington, el Reino Unido y Corea.
«Si nos hubieran preguntado hace diez años cuál sería la solución definitiva para el rápido desarrollo de la tecnología solar, la respuesta habría sido algo que funciona tan bien como el silicio pero que es mucho más fácil de producir», dice Bulovic. “Y antes de que nos diéramos cuenta, apareció el campo de la energía fotovoltaica de perovskita. Eran tan eficaces como la silicona y tan fáciles de pintar como sobre una hoja de papel. El resultado fue una tremenda emoción en el campo”.
Aun así, “existen algunos desafíos técnicos importantes en el manejo y manejo de este material como nunca antes lo habíamos hecho”, dice. Pero la promesa es tan grande que cientos de investigadores de todo el mundo han estado trabajando en esta tecnología. El nuevo estudio aborda un detalle muy pequeño pero crucial: cómo «pasivar» la superficie del material y cambiar sus propiedades para que la perovskita ya no se degrade tan rápidamente ni pierda eficiencia.
«La clave es identificar la química de las interfaces, los lugares donde la perovskita se encuentra con otros materiales», dice Bulovic, refiriéndose a los lugares donde se apilan diferentes materiales junto a la perovskita para facilitar el control del flujo de corriente a través del dispositivo.
Los ingenieros han desarrollado métodos de pasivación, como el uso de una solución que crea una fina capa de pasivación. Sin embargo, carecían de una comprensión detallada de cómo funciona este proceso, lo cual es esencial para seguir avanzando en la búsqueda de mejores recubrimientos. El nuevo estudio «analizó la capacidad de pasivar estas interfaces y explicó la física y la ciencia detrás de por qué esta pasivación funciona tan bien», dice Bulovic.
El equipo utilizó algunos de los instrumentos más potentes disponibles en laboratorios de todo el mundo para observar las interfaces entre la capa de perovskita y otros materiales y su evolución con un detalle sin precedentes. Este examen minucioso del proceso de recubrimiento de pasivación y sus efectos dio como resultado «la hoja de ruta más clara hasta el momento sobre lo que podemos hacer para optimizar la alineación de energía en las interfaces de las perovskitas y los materiales vecinos» para mejorar su rendimiento general, dice Bulovic.
Si bien la mayor parte del material de perovskita existe en forma de una red cristalina de átomos perfectamente ordenada, este orden se rompe en la superficie. Puede haber átomos adicionales sobresaliendo o espacios donde faltan átomos, y estos defectos conducen a pérdidas en la eficiencia del material. Aquí es donde entra en juego la necesidad de pasivación.
«Este artículo es esencialmente una guía para ajustar superficies que tienen muchos de estos defectos para garantizar que no se pierda energía», dice deQuilettes. «Este es un descubrimiento realmente importante para este campo», afirma. «Este es el primer artículo que muestra cómo controlar y manipular sistemáticamente los campos superficiales en las perovskitas».
El método de pasivación común consiste en bañar la superficie en una solución de una sal llamada bromuro de hexilamonio. Esta técnica fue desarrollada hace varios años en el MIT por Jason Jungwan Yoo PhD ’20, coautor de este trabajo, y ha dado lugar a varios nuevos récords mundiales de eficiencia. Al hacer esto, “se forma una capa muy delgada en la superficie del defecto, y esa capa delgada en realidad pasiva muy bien muchos de los defectos”, dice deQuilettes. “Y luego el bromo contenido en la sal penetra en la capa tridimensional de manera controlable”. Esta penetración ayuda a evitar que los electrones pierdan energía debido a defectos en la superficie.
Estos dos efectos, creados por un único paso de procesamiento, producen simultáneamente los dos cambios beneficiosos. «Es realmente agradable porque normalmente hay que hacerlo en dos pasos», dice deQuilettes.
La pasivación reduce la pérdida de energía de los electrones en la superficie después de que son expulsados por la luz solar. Estas pérdidas reducen la eficiencia general de convertir la luz solar en electricidad, por lo que la reducción de las pérdidas aumenta la eficiencia neta de las células.
Esto podría conducir rápidamente a mejoras en la eficiencia de los materiales a la hora de convertir la luz solar en electricidad, afirma. Los récords de eficiencia recientes para una sola capa de perovskita, varios de los cuales se establecieron en el MIT, han sido de entre el 24 y el 26 por ciento, mientras que la eficiencia teórica máxima que podría alcanzarse es de alrededor del 30 por ciento, según deQuilettes.
Un pequeño aumento porcentual puede no parecer mucho, pero estas mejoras tienen una gran demanda en la industria fotovoltaica. «En la industria fotovoltaica de silicio, un aumento de medio por ciento en la eficiencia vale cientos de millones de dólares en el mercado mundial», afirma. Un cambio reciente en el diseño de las celdas de silicio, que esencialmente agrega una fina capa de pasivación y cambia el perfil de dopaje, da como resultado un aumento de eficiencia de aproximadamente medio por ciento. Como resultado, «toda la industria está cambiando y tratando de llegar allí rápidamente». La eficiencia general de las células solares de silicio ha mejorado muy ligeramente en los últimos 30 años, afirma.
Las eficiencias récord de las perovskitas se determinaron en gran medida en entornos de laboratorio controlados utilizando pequeñas muestras del material del tamaño de un sello postal. «Se necesita mucho tiempo para traducir una eficiencia récord a escala comercial», dice deQuilettes. «Otra gran esperanza es que con esta comprensión, la gente podrá diseñar mejor grandes áreas para lograr estos efectos de pasivación».
Hay cientos de tipos diferentes de sales de pasivación y muchos tipos diferentes de perovskitas. Por lo tanto, la comprensión fundamental del proceso de pasivación proporcionada por este nuevo trabajo podría ayudar a los investigadores a encontrar combinaciones de materiales aún mejores, sugieren los investigadores. «Hay muchas formas diferentes de desarrollar los materiales», afirma.
«Creo que estamos cerca de las primeras demostraciones prácticas de perovskitas en aplicaciones comerciales», afirma Bulovic. «Y estas aplicaciones iniciales estarán muy lejos de lo que podremos hacer en unos pocos años». Añade que las perovskitas «no deben verse como un sustituto de la energía fotovoltaica de silicio». Adopción más rápida de la energía solar”.
«En los últimos dos años, se han logrado grandes avances en la búsqueda de tratamientos de superficie que mejoren las células solares de perovskita», afirma Michael McGehee, profesor de ingeniería química de la Universidad de Colorado, que no participó en esta investigación. “Gran parte de la investigación ha sido empírica y los mecanismos detrás de las mejoras no se comprenden completamente. Este estudio detallado muestra que los tratamientos no solo pueden pasivar los defectos sino también crear un campo de superficie que repele los portadores que deberían recolectarse en el otro lado del dispositivo. Esta comprensión podría ayudar a mejorar aún más las interfaces”.
[ad_2]