Una nueva técnica de impresión en solución a baja temperatura permite la fabricación de células solares de perovskita de alta eficiencia con cristales grandes destinados a minimizar los límites de grano que roban la corriente. La técnica de impresión en solución asistida por menisco (MASP) aumenta la eficiencia de conversión de energía a casi un 20 por ciento al controlar el tamaño y la orientación del cristal.

El proceso, que utiliza placas paralelas para crear un menisco de tinta que contiene los precursores de perovskita de haluro metálico, podría ampliarse para generar rápidamente grandes áreas de película cristalina densa en una variedad de sustratos, incluyendo polímeros flexibles. Los parámetros operativos para el proceso de fabricación se eligieron mediante un estudio cinético detallado de los cristales de perovskita observados a lo largo de su ciclo de formación y crecimiento.

"Utilizamos una técnica de impresión de solución asistida por menisco a baja temperatura para crear películas de perovskita de alta calidad con un rendimiento optoelectrónico muy mejorado, "dijo Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Comenzamos por desarrollar una comprensión detallada de la cinética de crecimiento de los cristales que nos permitió saber cómo se deben ajustar los parámetros preparativos para optimizar la fabricación de las películas".

La nueva técnica se publica el 7 de julio en la revista Comunicaciones de la naturaleza . La investigación ha sido apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

Las perovskitas ofrecen una alternativa atractiva a los materiales tradicionales para capturar la electricidad de la luz, pero las técnicas de fabricación existentes suelen producir pequeños granos cristalinos cuyos límites pueden atrapar los electrones producidos cuando los fotones chocan contra los materiales. Las técnicas de producción existentes para preparar películas de perovskita de grano grande generalmente requieren temperaturas más altas, lo que no es favorable para los materiales poliméricos utilizados como sustratos, lo que podría ayudar a reducir los costos de fabricación y permitir células solares de perovskita flexibles.

Entonces Lin, El científico investigador Ming He y sus colegas decidieron probar un nuevo enfoque que se basa en la acción capilar para atraer tinta de perovskita hacia un menisco formado entre dos placas casi paralelas separadas por aproximadamente 300 micrones. La placa inferior se mueve continuamente, permitiendo que el solvente se evapore en el borde del menisco para formar perovskita cristalina. A medida que se forman los cristales, se introduce tinta fresca en el menisco utilizando el mismo proceso físico que forma un anillo de café en una superficie absorbente como el papel.

"Debido a que la evaporación del solvente desencadena el transporte de precursores del interior al exterior, los precursores de perovskita se acumulan en el borde del menisco y forman una fase saturada, "Lin explicó." Esta fase saturada conduce a la nucleación y crecimiento de cristales. Sobre un área grande, vemos una película plana y uniforme que tiene una alta cristalinidad y un crecimiento denso de cristales grandes ".

Para establecer la velocidad óptima para mover las placas, la distancia entre las placas y la temperatura aplicada a la placa inferior, los investigadores estudiaron el crecimiento de cristales de perovskita durante MASP. Usando películas tomadas a través de un microscopio óptico para monitorear los granos, descubrieron que los cristales primero crecen a una tasa cuadrática, pero lento a un ritmo lineal cuando comenzaron a afectar a sus vecinos.

"Cuando los cristales chocan contra sus vecinos, que afecta su crecimiento, ", señaló He." Descubrimos que todos los granos que estudiamos siguieron una dinámica de crecimiento similar y se convirtieron en una película continua sobre el sustrato ".

El proceso MASP genera cristales relativamente grandes, de 20 a 80 micrones de diámetro, que cubren la superficie del sustrato. Tener una estructura densa con menos cristales minimiza los huecos que pueden interrumpir el flujo de corriente, y reduce el número de límites que pueden atrapar electrones y huecos y permitirles recombinarse.

Usando películas producidas con el proceso MASP, los investigadores han construido células solares que tienen eficiencias de conversión de energía de un 18 por ciento en promedio, y algunas llegan al 20 por ciento. Las células se han probado con más de 100 horas de funcionamiento sin encapsulación. "La estabilidad de nuestra película MASP se mejora debido a la alta calidad de los cristales, "Dijo Lin.

El raspado es una de las técnicas convencionales de fabricación de perovskita en la que se utilizan temperaturas más altas para evaporar el disolvente. Lin y sus colegas calentaron su sustrato a solo unos 60 grados Celsius, que sería potencialmente compatible con los materiales de sustrato polimérico.

Hasta aquí, los investigadores han producido muestras a escala centimétrica, pero creen que el proceso podría ampliarse y aplicarse a sustratos flexibles, potencialmente facilitando el procesamiento continuo rollo a rollo de los materiales de perovskita. Eso podría ayudar a reducir el costo de producción de células solares y otros dispositivos optoelectrónicos.

"La técnica de impresión con solución asistida por menisco tendría ventajas para las células solares flexibles y otras aplicaciones que requieren un proceso de fabricación continuo a baja temperatura, ", Agregó Lin." Esperamos que el proceso pueda ampliarse para producir un alto rendimiento, películas de perovskita a gran escala ".

Entre los siguientes pasos se encuentran la fabricación de películas sobre sustratos poliméricos, y evaluar otras propiedades únicas (por ejemplo, térmica y piezotrónica) del material.