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    Un estudio revela nuevos conocimientos sobre cómo funcionan las células solares híbridas de perovskita

    Esta ilustración muestra lo que sucede dentro de un material híbrido de perovskita en las primeras billonésimas de segundo después de que recibe luz solar simulada (arriba a la izquierda). Las esferas azul y verde son átomos, dispuestas en pirámides dobles como se muestra a la izquierda. Cuando la luz golpea los electrones comienzan a separarse de los "huecos cargados positivamente, ”El primer paso para crear una corriente eléctrica (rayas amarillas). Mientras tanto, los átomos comienzan a vibrar dentro de la estructura enrejada de la perovskita. Los científicos detectaron estos procesos analizando la radiación de terahercios (rayas rojas) que liberaron los procesos. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

    Los científicos han obtenido nuevos conocimientos sobre un misterio fundamental sobre las perovskitas híbridas, Materiales de bajo costo que podrían mejorar o incluso reemplazar las células solares convencionales hechas de silicio.

    Bajo un microscopio una rodaja de perovskita parece un mosaico abstracto de granos de cristal al azar. El misterio es cómo este mosaico de diminutos Los granos imperfectos pueden transformar la luz solar en electricidad con la misma eficacia que un solo cristal de silicio puro.

    Un estudio reciente realizado por científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía ofrece nuevas pistas. Escribiendo en la edición del 15 de marzo de Materiales avanzados , Los científicos proporcionan una nueva comprensión de cómo las cargas eléctricas se separan en las perovskitas unas mil millonésimas de segundo después de la absorción de luz. el primer paso crucial para generar una corriente eléctrica.

    El estudio es el primero en sondear el funcionamiento interno de las perovskitas híbridas a escala atómica utilizando pulsos de láser que coinciden con la intensidad de la radiación solar. y así imitar la luz solar natural. Los autores dicen que su descubrimiento podría conducir a mejoras en el rendimiento de las células solares de perovskita y una nueva forma de probar su funcionalidad.

    Perovskitas y silicio

    La mayoría de las células solares de hoy en día están hechas de silicio purificado fabricado a temperaturas superiores a 3, 000 grados Fahrenheit (1, 600 grados Celsius). Estos paneles rígidos de silicona pueden durar décadas en todo tipo de condiciones climáticas.

    Células solares de perovskita, aunque mucho menos duradero, son más delgadas y flexibles que las células de silicio y se pueden producir cerca de la temperatura ambiente a partir de una mezcla híbrida de materiales orgánicos e inorgánicos baratos, como el yodo, plomo y metilamonio.

    Investigadores incluido el coautor de Stanford, Michael McGehee, han demostrado que las células solares de perovskita son tan eficientes para convertir la luz en electricidad como las células de silicio disponibles comercialmente e incluso pueden superarlas. Esta combinación de eficiencia, La flexibilidad y la fácil síntesis han impulsado una carrera mundial para desarrollar perovskitas de calidad comercial que puedan resistir la exposición a largo plazo al calor y la precipitación.

    "Las perovskitas son materiales muy prometedores para la energía fotovoltaica, "dijo el autor principal Burak Guzelturk, becario postdoctoral en Stanford y SLAC. "Pero la gente se pregunta cómo pueden lograr eficiencias tan altas".

    Electrones y agujeros

    Todas las células solares funcionan según el mismo principio. Los fotones de luz solar absorbidos por el material cristalino impulsan a los electrones cargados negativamente a un estado de excitación. Los electrones liberados dejan espacios cargados positivamente o "huecos" que se separan unos de otros. Esta separación da lugar a una corriente eléctrica.

    Silicio puro, con su estructura atómica altamente ordenada, proporciona un camino directo para que los electrones y los agujeros viajen a través de la celda solar. Pero con perovskitas, el camino está lejos de ser liso.

    "Las perovskitas suelen estar llenas de defectos, "dijo el coautor Aaron Lindenberg, profesor asociado en SLAC y Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES). "Ni siquiera están cerca de ser cristales perfectos, sin embargo, de alguna manera, las corrientes eléctricas no ven los defectos ".

    Emisión de terahercios

    Para el estudio, El equipo de investigación utilizó pulsos de láser para simular ondas de luz solar de ambos extremos del espectro de luz visible:luz violeta de alta energía y luz infrarroja de baja energía. Los resultados se midieron en la escala de tiempo de picosegundos. Un picosegundo es una billonésima de segundo.

    "En los primeros picosegundos después de que la luz del sol golpea la perovskita, los electrones y los agujeros en la red cristalina comienzan a dividirse, "Lindenberg explicó." La separación se descubrió midiendo la emisión de pulsos de luz de terahercios de alta frecuencia que oscilan un billón de veces por segundo de la película delgada de perovskita. Esta es la primera vez que alguien ha observado la emisión de terahercios de las perovskitas híbridas ".

    La emisión de terahercios también reveló que los electrones y los huecos interactúan estrechamente con las vibraciones de la red en el material cristalino. Esta interacción, que ocurre en una escala de tiempo de femtosegundos, podría ayudar a explicar cómo las corrientes eléctricas navegan a través del mosaico de granos de cristal en perovskitas híbridas.

    "Como las cargas eléctricas se separan, observamos un pico agudo en la emisión de terahercios, coincidir con un modo vibratorio del material, "Dijo Guzelturk." Eso nos da una clara evidencia de que los electrones y los agujeros están fuertemente acoplados con las vibraciones atómicas en el material ".

    Este hallazgo plantea la posibilidad de que el acoplamiento a la vibración de la red podría proteger los electrones y los huecos de los defectos cargados en la perovskita. protegiendo la corriente eléctrica a medida que viaja a través de la celda solar. Otros equipos de investigación han propuesto escenarios similares.

    "Esta es una de las primeras observaciones de cómo la estructura atómica local de un material híbrido de perovskita responde en la primera billonésima de segundo después de absorber la luz solar, "Lindenberg dijo." Nuestra técnica podría abrir una nueva forma de sondear una célula solar justo cuando se absorbe el fotón, lo cual es realmente importante si desea comprender y construir mejores materiales. La forma convencional es colocar electrodos en el dispositivo y medir la corriente, pero eso esencialmente borra todos los procesos microscópicos que son clave. Nuestro todo óptico, El enfoque sin electrodos con resolución de tiempo de femtosegundos evita ese problema ".

    Electrones calientes

    Los investigadores también encontraron que los campos de luz de terahercios son mucho más fuertes cuando la perovskita es golpeada con ondas de luz de alta energía.

    "Descubrimos que la luz de terahercios radiada es órdenes de magnitudes más intensas cuando se excitan los electrones con luz violeta en comparación con la luz infrarroja de baja energía, Lindenberg dijo. "Ese fue un resultado inesperado".

    Este descubrimiento podría proporcionar nuevos conocimientos sobre electrones "calientes" de alta energía, Dijo Guzelturk.

    "La luz violeta imparte electrones con exceso de energía cinética, creando electrones calientes que se mueven mucho más rápido que otros electrones, ", dijo." Sin embargo, estos electrones calientes pierden su exceso de energía muy rápidamente ".

    Aprovechar la energía de los electrones calientes podría conducir a una nueva generación de células solares de alta eficiencia. añadió Lindenberg.

    "Uno de los grandes desafíos es encontrar una manera de capturar el exceso de energía de un electrón caliente antes de que se relaje, ", dijo." La idea es que si pudieras extraer la corriente asociada con los electrones calientes antes de que la energía se disipe, podría aumentar la eficiencia de la celda solar. La gente ha argumentado que es posible crear electrones calientes en perovskitas que viven mucho más tiempo que en el silicio. Eso es parte del entusiasmo en torno a las perovskitas ".

    El estudio reveló que en las perovskitas híbridas, los electrones calientes se separan de los agujeros de forma más rápida y eficiente que los electrones excitados por la luz infrarroja.

    "Por primera vez podemos medir qué tan rápido ocurre esta separación, Lindenberg dijo:"Esto proporcionará nueva información importante sobre cómo diseñar células solares que utilicen electrones calientes".

    Toxicidad y estabilidad

    La capacidad de medir las emisiones de terahercios también podría conducir a nuevas investigaciones sobre alternativas no tóxicas a las perovskitas convencionales basadas en plomo. dijo Guzelturk.

    "La mayoría de los materiales alternativos que se están considerando no son tan eficientes para generar electricidad como el plomo, ", dijo." Nuestros hallazgos podrían permitirnos comprender por qué la composición del plomo funciona tan bien mientras que otros materiales no lo hacen, e investigar la degradación de estos dispositivos mirando directamente la estructura atómica y cómo cambia ".


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