Una mirada al interior de la técnica RIR-MAPLE que tiene la capacidad de construir una nueva tecnología de cristal de células solares. El círculo blanco en el centro de la tabla es una solución congelada que contiene los bloques de construcción moleculares para el material de la célula solar, que es explotado por láseres, vaporizar la solución que transporta los materiales para cubrir la parte inferior del objetivo de arriba. Crédito:E. Tomas Barraza
Los científicos de materiales de la Universidad de Duke han desarrollado un método para crear materiales híbridos de película delgada que de otro modo serían difíciles o imposibles de hacer. La técnica podría ser la puerta de entrada a nuevas generaciones de células solares, diodos emisores de luz y fotodetectores.
El equipo de investigación describió sus métodos el 22 de diciembre de 2017 en la revista Letras de energía ACS .
Las perovskitas son una clase de materiales que, con la combinación correcta de elementos, tienen una estructura cristalina que los hace particularmente adecuados para aplicaciones basadas en la luz. Su capacidad para absorber luz y transferir su energía de manera eficiente los convierte en un objetivo común para los investigadores que desarrollan nuevos tipos de células solares. por ejemplo.
La perovskita más común utilizada en la energía solar hoy en día, yoduro de metilamonio y plomo (MAPbI3), puede convertir la luz en energía tan bien como los mejores paneles solares disponibles comercialmente en la actualidad. Y puede hacerlo utilizando una fracción del material:una astilla 100 veces más delgada que una célula solar típica basada en silicio.
El yoduro de metilamonio y plomo es una de las pocas perovskitas que se pueden crear utilizando técnicas de producción estándar de la industria. aunque todavía tiene problemas de escalabilidad y durabilidad. Para desbloquear verdaderamente el potencial de las perovskitas, sin embargo, Se necesitan nuevos métodos de fabricación porque la mezcla de moléculas orgánicas e inorgánicas en una estructura cristalina compleja puede ser difícil de hacer. Los elementos orgánicos son particularmente delicados, pero son fundamentales para la capacidad del material híbrido de absorber y emitir luz de forma eficaz.
Observe más de cerca el objetivo de la solución congelada que contiene los componentes básicos del material de la célula solar. Crédito:E. Tomas Barraza
"El yoduro de metilamonio y plomo tiene un componente orgánico muy simple, sin embargo, es un absorbente de luz de muy alto rendimiento, "dijo David Mitzi, el Profesor de la Familia Simon de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke. "Si podemos encontrar un nuevo enfoque de fabricación que pueda construir combinaciones moleculares más complejas, abrirá nuevos reinos de la química para materiales multifuncionales ".
En el nuevo estudio, Mitzi se une a su colega Adrienne Stiff-Roberts, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Duke, para demostrar tal enfoque de fabricación. La técnica se llama Evaporación láser pulsada asistida por matriz infrarroja resonante, o RIR-MAPLE para abreviar, y fue desarrollado por Stiff-Roberts en Duke durante la última década.
Adaptado de una tecnología inventada en 1999 llamada MAPLE, la técnica consiste en congelar una solución que contiene los componentes moleculares de la perovskita, y luego volar el bloque congelado con un láser en una cámara de vacío.
Cuando un láser vaporiza una pequeña parte del objetivo congelado del tamaño de un hoyuelo en una pelota de golf, el vapor viaja hacia arriba en una columna que recubre la superficie inferior de cualquier objeto que cuelgue sobre su cabeza, como un componente en una celda solar. Una vez que se acumule suficiente material, el proceso se detiene y el producto se calienta para cristalizar las moléculas y fijar la película delgada en su lugar.
En la versión de la tecnología de Stiff-Roberts, La frecuencia del láser se ajusta específicamente a los enlaces moleculares del disolvente congelado. Esto hace que el solvente absorba la mayor parte de la energía, dejando ilesos los delicados productos orgánicos mientras viajan a la superficie del producto.
Vea el interior de la cámara RIR-MAPLE después de que finalice el proceso de deposición de película delgada. No queda nada de la solución congelada original en el centro, ya que todo ha sido vaporizado para cubrir la parte inferior del objetivo que cuelga arriba. Crédito:E. Tomas Barraza
"La tecnología RIR-MAPLE es extremadamente suave con los componentes orgánicos del material, mucho más que otras técnicas basadas en láser, ", dijo Stiff-Roberts." Eso también lo hace mucho más eficiente, requiriendo solo una pequeña fracción de los materiales orgánicos para alcanzar el mismo producto final ".
Aunque todavía no se encuentran disponibles en el mercado células solares basadas en perovskita, hay algunas empresas que trabajan para comercializar yoduro de metilamonio y plomo y otros materiales estrechamente relacionados. Y aunque los materiales fabricados en este estudio tienen una eficiencia de células solares mejor que los fabricados con otras tecnologías basadas en láser, aún no llegan a los realizados con procesos tradicionales basados en soluciones.
Pero Mitzi y Stiff-Roberts dicen que ese no es su objetivo.
"Si bien las técnicas basadas en soluciones también pueden ser suaves con los orgánicos y pueden producir excelentes materiales fotovoltaicos híbridos, no se pueden utilizar para moléculas orgánicas más complejas y poco solubles, "dijo Stiff-Roberts.
"Con esta demostración de la tecnología RIR-MAPLE, Esperamos abrir un nuevo mundo de materiales a la industria de las células solares. "continuó Mitzi." También creemos que estos materiales podrían ser útiles para otras aplicaciones, como diodos emisores de luz, fotodetectores y detectores de rayos X ".
