En años recientes, las perovskitas han conquistado la industria de las células solares. Son baratos fáciles de producir y muy flexibles en sus aplicaciones. Su eficiencia para convertir la luz en electricidad ha crecido más rápido que la de cualquier otro material, de menos del cuatro por ciento en 2009 a más del 20 por ciento en 2017, y algunos expertos creen que las perovskitas podrían eventualmente superar al material de células solares más común. silicio. Pero a pesar de su popularidad, los investigadores no saben por qué las perovskitas son tan eficientes.

Ahora, los experimentos con una potente "cámara de electrones" en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han descubierto que la luz hace girar los átomos en las perovskitas, potencialmente explicando la alta eficiencia de estos materiales de células solares de próxima generación y proporcionando pistas para hacer mejores.

"Hemos dado un paso para resolver el misterio, "dijo Aaron Lindenberg del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) y el Instituto Stanford PULSE de ciencia ultrarrápida, que son operados conjuntamente por la Universidad de Stanford y SLAC. "Grabamos películas que muestran que ciertos átomos en una perovskita responden a la luz en una billonésima de segundo de una manera muy inusual. Esto puede facilitar el transporte de cargas eléctricas a través del material y aumentar su eficiencia".

El estudio fue publicado hoy en Avances de la ciencia .

La luz pone en movimiento la estructura atómica

Cuando la luz incide sobre el material de una célula solar, su energía desplaza algunos de los electrones cargados negativamente del material. Esto deja atrás "huecos de electrones" con una carga positiva donde se encontraban originalmente los electrones. Los electrones y los agujeros migran a lados opuestos del material, creando un voltaje que se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos.

La eficiencia de una célula solar depende de la libertad con la que los electrones y los huecos se muevan en el material. Su movilidad, Sucesivamente, depende de la estructura atómica del material. En células solares de silicio, por ejemplo, Los átomos de silicio se alinean de manera muy ordenada dentro de los cristales, e incluso los defectos estructurales más pequeños reducen la capacidad del material para recolectar luz de manera eficiente.

Como resultado, Los cristales de silicio deben cultivarse en costosos, procedimientos de varios pasos en condiciones extremadamente limpias. A diferencia de, "Las perovskitas se producen fácilmente mezclando productos químicos en un disolvente, que se evapora para dejar una película muy fina de material de perovskita, "dijo Xiaoxi Wu, autor principal del estudio de SIMES en SLAC. "Un procesamiento más simple significa menores costos. A diferencia de las células solares de silicio, Las películas delgadas de perovskita también son livianas y flexibles y se pueden aplicar fácilmente a prácticamente cualquier superficie ".

Pero, ¿qué tienen exactamente las perovskitas que permiten que algunas de ellas recolecten luz de manera muy eficiente? Los científicos piensan que una de las claves es cómo se mueven sus átomos en respuesta a la luz.

Para descubrir mas, Wu y sus colegas estudiaron estos movimientos en un material prototipo hecho de yodo, plomo y una molécula orgánica llamada metilamonio. Los átomos de yodo están dispuestos en octoedros, estructuras de ocho lados que parecen dos pirámides unidas en sus bases. Los átomos de plomo se encuentran dentro de los octoedros y las moléculas de metilamonio se ubican entre los octoedros (vea el diagrama a continuación). Esta arquitectura es común a muchas de las perovskitas investigadas para aplicaciones de células solares.

"Los estudios anteriores han explorado principalmente el papel de los iones de metilamonio y sus movimientos en el transporte de carga eléctrica a través del material, "Dijo Wu." Sin embargo, hemos descubierto que la luz provoca grandes deformaciones en la red de átomos de plomo y yodo que podrían ser cruciales para la eficiencia de las perovskitas ".

Las distorsiones inusuales pueden mejorar la eficiencia

En el área de prueba de la estructura del acelerador de SLAC (ASTA), los investigadores primero encontraron una película de perovskita, menos de dos millonésimas de pulgada de espesor, con un pulso láser de 40 femtosegundos. Un femtosegundo es una millonésima de mil millonésima de segundo. Para determinar la respuesta atómica, enviaron un pulso de 300 femtosegundos de electrones altamente energéticos a través del material y observaron cómo los electrones se desvían en la película. Esta tecnica, llamada difracción ultrarrápida de electrones (UED), les permitió reconstruir la estructura atómica.

"Al repetir el experimento con diferentes retrasos de tiempo entre los dos pulsos, obtuvimos una película en stop-motion de los movimientos de los átomos de plomo y yodo después del impacto de la luz, "dijo el coautor Xijie Wang, Científico líder de SLAC para UED. "El método es similar a tomar una serie de instantáneas de rayos X ultrarrápidas, pero los electrones nos dan señales mucho más fuertes para muestras delgadas y son menos destructivos ".

El equipo esperaba que el pulso de luz afectara a los átomos de manera uniforme en todas las direcciones, haciendo que se muevan alrededor de sus posiciones originales.

"Pero eso no es lo que pasó, "Lindenberg dijo." Dentro de las 10 billonésimas de segundo después del pulso láser, los átomos de yodo giraban alrededor de cada átomo de plomo como si se estuvieran moviendo en la superficie de una esfera con el átomo de plomo en el centro, cambiando cada octaedro de una forma regular a una distorsionada ".

Las sorprendentes deformaciones fueron duraderas e inesperadamente grandes, similar en tamaño a los observados en los cristales fundidos.

"Este movimiento podría alterar la forma en que se mueven las cargas, ", Dijo Wu." Esta respuesta a la luz podría mejorar la eficiencia, por ejemplo, permitiendo que las cargas eléctricas migren a través de defectos y protegiéndolas para que no queden atrapadas en el material ".

"Los resultados del grupo Lindenberg proporcionan fascinantes conocimientos por primera vez sobre las propiedades de las perovskitas híbridas que utilizan la difracción de electrones ultrarrápida como herramienta única, "según Felix Deschler, experto en el campo de la física inducida por la luz de materiales novedosos e investigador del Cavendish Lab de la Universidad de Cambridge.

"El conocimiento sobre el movimiento atómico detallado después de la fotoexcitación proporciona nueva información sobre su desempeño y puede proporcionar nuevas pautas para el desarrollo de materiales".