Un nuevo y emocionante material solar llamado perovskitas de haluro orgánico-inorgánico podría algún día ayudar a los EE. UU. A lograr sus ambiciones solares y descarbonizar la red eléctrica. Mil veces más delgado que el silicio Los materiales solares de perovskita se pueden ajustar para responder a diferentes colores del espectro solar simplemente alterando su mezcla de composición.

Normalmente fabricado a partir de moléculas orgánicas como metilamonio y haluros metálicos inorgánicos como yoduro de plomo, Los materiales solares híbridos de perovskita tienen una alta tolerancia a los defectos en su estructura molecular y absorben la luz visible de manera más eficiente que el silicio. el estándar de la industria solar.

En total, estas cualidades hacen que las perovskitas prometan capas activas no solo en la energía fotovoltaica (tecnologías que convierten la luz en electricidad), pero también en otros tipos de dispositivos electrónicos que responden o controlan la luz, incluidos los diodos emisores de luz (LED), detectores, y láseres.

"Aunque las perovskitas ofrecen un gran potencial para expandir enormemente la energía solar, aún no se han comercializado porque su síntesis confiable y su estabilidad a largo plazo han desafiado a los científicos durante mucho tiempo, "dijo Carolin Sutter-Fella, un científico de Molecular Foundry, una instalación para usuarios de nanociencia en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). "Ahora, un camino hacia las perovskitas perfectas pronto estará al alcance ".

Un reciente Comunicaciones de la naturaleza El estudio codirigido por Sutter-Fella informa que la fabricación de materiales solares podría ser ayudada por un nuevo y sofisticado instrumento que utiliza dos tipos de luz, luz de rayos X invisible y luz láser visible, para sondear la estructura cristalina y las propiedades ópticas de un material de perovskita. se sintetiza.

"Cuando la gente hace películas delgadas solares, normalmente tienen un laboratorio de síntesis dedicado y necesitan ir a otro laboratorio para caracterizarlo. Con nuestro desarrollo, puedes sintetizar y caracterizar completamente un material al mismo tiempo, en el mismo lugar, " ella dijo.

Por este trabajo, Sutter-Fella reunió a un equipo internacional de los mejores científicos e ingenieros para equipar una estación final de línea de rayos X con un láser en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab.

La luz de rayos X de alta intensidad del nuevo instrumento permite a los investigadores sondear la estructura cristalina del material de perovskita y revelar detalles sobre procesos químicos rápidos. Por ejemplo, se puede utilizar para caracterizar lo que sucede en el segundo antes y después de que una gota de un agente solidificante transforme una solución precursora líquida en una película delgada sólida.

Al mismo tiempo, su láser se puede utilizar para crear electrones y agujeros (portadores de carga eléctrica) en la película delgada de perovskita, permitiendo a los científicos observar la respuesta de un material solar a la luz, ya sea como producto terminado o durante las etapas intermedias de síntesis de material.

"Equipar una estación final de línea de rayos X con un láser permite a los usuarios probar estas propiedades complementarias simultáneamente, "explicó Sutter-Fella.

Esta combinación de mediciones simultáneas podría convertirse en parte de un flujo de trabajo automatizado para monitorear la producción de perovskitas y otros materiales funcionales en tiempo real para el proceso y el control de calidad.

Las películas de perovskita se fabrican típicamente mediante recubrimiento por rotación, una técnica asequible que no requiere equipos costosos ni configuraciones químicas complicadas. Y el caso de las perovskitas se vuelve aún más brillante cuando se considera la cantidad de energía que requiere solo fabricar silicio en un dispositivo solar:el silicio requiere una temperatura de procesamiento de aproximadamente 2, 732 grados Fahrenheit. A diferencia de, las perovskitas se procesan fácilmente a partir de una solución a temperatura ambiente a solo 302 grados Fahrenheit.

La estación final de la línea de luz permite a los investigadores observar lo que sucede durante la síntesis, y en particular durante los primeros segundos de recubrimiento por centrifugación, una ventana de tiempo crítica durante la cual la solución precursora comienza a solidificarse lentamente en una película delgada.

Primer autor Shambhavi Pratap, que se especializa en el uso de rayos X para estudiar materiales de energía solar de película delgada, desempeñó un papel fundamental en el desarrollo del instrumento como becario de doctorado de ALS. Recientemente completó sus estudios de doctorado en el grupo Müller-Buschbaum de la Universidad Técnica de Munich.

"El instrumento permitirá a los investigadores documentar cómo las pequeñas cosas que generalmente se dan por sentadas pueden tener un gran impacto en la calidad y el rendimiento del material, "Dijo Pratap.

"Para hacer células solares reproducibles y eficientes a bajo costo, Todo importa, Sutter-Fella dijo. Añadió que el estudio fue un esfuerzo de equipo que abarcó una amplia gama de disciplinas científicas.

El trabajo es el último capítulo de un cuerpo de trabajo por el cual Sutter-Fella recibió un premio Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) en 2017.

"Sabemos que la comunidad de investigadores está interesada en utilizar esta nueva capacidad en la ALS, ", dijo." Ahora queremos que sea fácil de usar para que más personas puedan aprovechar esta estación final ".