Los polarones son distorsiones fugaces en la red atómica de un material que se forman alrededor de un electrón en movimiento en unas pocas billonésimas de segundo. luego desaparecen rápidamente. Tan efímeros como son, afectan el comportamiento de un material, e incluso puede ser la razón por la que las células solares fabricadas con perovskitas híbridas de plomo logran eficiencias extraordinariamente altas en el laboratorio.

Ahora, los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han utilizado el láser de rayos X del laboratorio para observar y medir directamente la formación de polarones por primera vez. Informaron sus hallazgos en Materiales de la naturaleza hoy dia.

"Estos materiales han revolucionado el campo de la investigación de la energía solar debido a su alta eficiencia y bajo costo, pero la gente todavía discute por qué funcionan, "dijo Aaron Lindenberg, investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC y profesor asociado en Stanford que dirigió la investigación.

"La idea de que los polarones pueden estar involucrados ha existido durante varios años, ", dijo." Pero nuestros experimentos son los primeros en observar directamente la formación de estas distorsiones locales, incluyendo su tamaño, forma y cómo evolucionan ".

Excitante, complejo y difícil de entender

Las perovskitas son materiales cristalinos que llevan el nombre del mineral perovskita, que tiene una estructura atómica similar. Los científicos comenzaron a incorporarlos a las células solares hace aproximadamente una década, y la eficiencia de esas células para convertir la luz solar en energía ha aumentado constantemente, a pesar de que sus componentes de perovskita tienen muchos defectos que deberían inhibir el flujo de corriente.

Estos materiales son famosos por su complejidad y dificultad para comprender. Dijo Lindenberg. Si bien los científicos las encuentran emocionantes porque son eficientes y fáciles de hacer, aumentando la posibilidad de que puedan hacer que las células solares sean más baratas que las células de silicio actuales, también son muy inestables, se descomponen cuando se exponen al aire y contienen plomo que debe mantenerse fuera del medio ambiente.

Estudios previos en SLAC han profundizado en la naturaleza de las perovskitas con una "cámara de electrones" o con rayos X. Entre otras cosas, revelaron que la luz hace girar átomos en perovskitas, y también midieron la vida útil de los fonones acústicos (ondas sonoras) que transportan el calor a través de los materiales.

Para este estudio, El equipo de Lindenberg utilizó la fuente de luz coherente Linac (LCLS) del laboratorio, un poderoso láser de rayos X de electrones libres que puede obtener imágenes de materiales con un detalle casi atómico y capturar los movimientos atómicos que ocurren en millonésimas de mil millonésimas de segundo. Observaron cristales individuales del material sintetizado por el grupo de la profesora asociada Hemamala Karunadasa en Stanford.

Golpearon una pequeña muestra del material con luz de un láser óptico y luego usaron el láser de rayos X para observar cómo respondía el material en el transcurso de decenas de billonésimas de segundo.

Expansión de burbujas de distorsión

"Cuando se carga un material al golpearlo con luz, como lo que pasa en una celda solar, se liberan electrones, y esos electrones libres comienzan a moverse alrededor del material, "dijo Burak Guzelturk, un científico del Laboratorio Nacional Argonne del DOE que era investigador postdoctoral en Stanford en el momento de los experimentos.

"Pronto están rodeados y engullidos por una especie de burbuja de distorsión local, el polarón, que viaja junto con ellos, ", dijo." Algunas personas han argumentado que esta 'burbuja' protege a los electrones de la dispersión de defectos en el material, y ayuda a explicar por qué viajan de manera tan eficiente al contacto de la célula solar para fluir como electricidad ".

La estructura de celosía híbrida de perovskita es flexible y suave, como "una extraña combinación de un sólido y un líquido al mismo tiempo, "como dice Lindenberg, y esto es lo que permite que los polarones se formen y crezcan.

Sus observaciones revelaron que las distorsiones polarónicas comienzan muy pequeñas, en la escala de unos pocos angstroms, sobre el espacio entre átomos en un sólido, y expandirse rápidamente hacia afuera en todas direcciones hasta un diámetro de aproximadamente 5 mil millonésimas de metro, que es aproximadamente un aumento de 50 veces. Esto empuja alrededor de 10 capas de átomos ligeramente hacia afuera dentro de un área aproximadamente esférica en el transcurso de decenas de picosegundos, o billonésimas de segundo.

"Esta distorsión es bastante grande, algo que no habíamos sabido antes, ", Dijo Lindenberg." Eso es algo totalmente inesperado ".

Él agregó, "Si bien este experimento muestra de la manera más directa posible que estos objetos realmente existen, no muestra cómo contribuyen a la eficiencia de una célula solar. Aún queda trabajo por hacer para comprender cómo estos procesos afectan las propiedades de estos materiales ".