En una celda solar cuando la luz del sol impacta sobre el material, se genera un cargo. Específicamente, esta carga corresponde a un par electrón-hueco, donde un electrón se excita a la banda de conducción, dejando un agujero en la banda de valencia. Para que las células sean eficientes, este par de cargas debe separarse y extraerse de la manera más eficiente posible (el electrón y el agujero deben dirigirse a electrodos opuestos para ser capturados) para generar una corriente eléctrica. Aquí es donde entra en juego la ferroelectricidad:esta propiedad generaría un campo eléctrico incorporado en el material que podría ayudar a la separación de cargas.

En el caso particular de las perovskitas de haluro de plomo, La ferroelectricidad podría ayudar a comprender por qué funcionan tan bien como material activo en las células solares. y de hecho, esa era una explicación plausible hasta ahora. Sin embargo, el estudio publicado en Ciencias de la energía y el medio ambiente por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Alemania) demuestran, por primera vez, que el hecho de que estos materiales sean óptimos para las células solares no se debe a la ferroelectricidad. "Este trabajo es muy interesante para comprender por qué estas células son tan eficientes, "dice Andrés Gómez, investigador del ICMAB-CSIC y primer autor del artículo. Tendremos que seguir buscando la respuesta final.

El secreto:la nueva técnica utilizada

La técnica utilizada para dilucidar la no ferroelectricidad de las perovskitas de haluro de plomo es la técnica DPFM (microscopía de fuerza piezoeléctrica directa). En 2017, investigadores del ICMAB-CSIC presentaron una solicitud de patente que describe la caracterización de la técnica. "Hasta ahora sólo había un modo avanzado de microscopía de fuerza atómica (AFM) llamado microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) para estudiar la ferroelectricidad de estas muestras. Sin embargo, este modo ha causado mucha controversia, ya que no es lo suficientemente confiable para distinguir entre un material ferroeléctrico y uno que no lo es. Aunque es posible medir la ferroelectricidad con PFM, otros efectos pueden dar una señal falsa, obteniendo resultados erróneos, "explica Gómez.

Sin embargo, la técnica DPFM, presentado en 2017 en el ICMAB-CSIC, complementario a PFM, mide el efecto piezoeléctrico de forma directa y permite discernir claramente si una muestra es ferroeléctrica o no. La técnica no produce señales espurias, ya que excluye muchos artefactos de medición porque a través del efecto piezoeléctrico una energía mecánica se convierte directamente en energía eléctrica de una manera estrictamente proporcional. Este hecho es fundamental para poder examinar la existencia de ferroelectricidad en perovskitas de haluro de plomo, un tema que ha estado en debate durante varios años.

Para este estudio, Se analizaron muestras policristalinas de perovskitas de haluro de plomo y muestras de otros materiales con ferroelectricidad conocida utilizadas como control, y se realizaron experimentos con perovskitas con diferentes propiedades (tamaño de grano, grosor de la capa, diferentes sustratos, diferentes texturas, etc.) utilizando PFM y DPFM, e incluso EFM (microscopía de fuerza electrostática).

Esta es la primera vez que se utiliza la técnica DPFM en células solares de perovskita de haluro de plomo. "Ningún otro grupo de investigación ha podido con resolución a escala nanométrica, para dilucidar si estas células son realmente ferroeléctricas o no, "dice Gómez. Ahora lo sabemos.