Algunos materiales son como personas. Déjelos relajarse al sol por un rato y se desempeñarán mucho mejor.

Una colaboración liderada por la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional de Los Alamos descubrió que ese es el caso de un compuesto de perovskita promocionado como un material eficiente para recolectar la luz solar y convertirla en energía.

Los investigadores dirigidos por Aditya Mohite, un científico de planta en Los Alamos que pronto se convertirá en profesor en Rice; Wanyi Nie, también científico de planta en Los Alamos, y el autor principal y estudiante graduado de Rice, Hsinhan (Dave) Tsai, descubrió que la iluminación constante relaja la tensión en la red cristalina de la perovskita, lo que le permite expandirse uniformemente en todas las direcciones.

La expansión alinea los planos cristalinos del material y cura los defectos a granel. Eso a su vez reduce las barreras energéticas en los contactos, facilitando que los electrones se muevan a través del sistema y entreguen energía a los dispositivos.

Esto no solo mejora la eficiencia de conversión de energía de la celda solar, pero tampoco compromete su fotoestabilidad, con degradación insignificante en más de 1, 500 horas de funcionamiento con iluminación continua de un sol de 100 milivatios por centímetro cúbico.

La investigación, que aparece esta semana en Ciencias , representa un paso significativo hacia las células solares estables basadas en perovskita para las tecnologías de energía solar a electricidad y de energía solar a combustible de próxima generación, según los investigadores.

"Las estructuras cristalinas de perovskita híbrida tienen una fórmula general de AMX3, donde A es un catión, M es un metal divalente y X es un haluro, ", Dijo Mohite." Es un semiconductor polar con una banda prohibida directa similar a la del arseniuro de galio.

"Esto otorga a las perovskitas un coeficiente de absorción que es casi un orden de magnitud mayor que el arseniuro de galio (un semiconductor común en las células solares) en todo el espectro solar, ", dijo." Esto implica que una película de perovskitas de 300 nanómetros de espesor es suficiente para absorber toda la luz solar incidente. Por el contrario, El silicio es un material de banda prohibida indirecta que requiere 1, 000 veces más material para absorber la misma cantidad de luz solar ".

Mohite dijo que los investigadores han buscado durante mucho tiempo perovskitas híbridas eficientes que sean estables a la luz del sol y en condiciones ambientales ambientales.

"A través de este trabajo, Demostramos un progreso significativo en el logro de estos dos objetivos, ", dijo." Nuestra perovskita a base de triple catión en una red cúbica muestra una excelente estabilidad de temperatura a más de 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit) ".

Los investigadores modelaron e hicieron más de 30 semiconductores, Películas delgadas a base de yoduro con estructuras de tipo perovskita:cubos cristalinos con átomos dispuestos en filas y columnas regulares. Midieron su capacidad para transmitir corriente y descubrieron que cuando estaban empapados de luz, la barrera energética entre la perovskita y los electrodos desapareció en gran medida a medida que se relajaban los enlaces entre los átomos.

Se sorprendieron al ver que la barrera permaneció apagada durante 30 minutos después de que se apagó la luz. Debido a que las películas se mantuvieron a una temperatura constante durante los experimentos, los investigadores también pudieron eliminar el calor como posible causa de la expansión de la red.

Las mediciones mostraron que el dispositivo híbrido de perovskita "campeón" aumentó su eficiencia de conversión de energía del 18,5 por ciento al 20,5 por ciento. De media, todas las células tenían una eficiencia elevada por encima del 19 por ciento. Mohite dijo que las perovskitas utilizadas en el estudio se alejaron en un 7 por ciento de la máxima eficiencia posible para una célula solar de unión única.

Dijo que la eficiencia de las células era casi el doble que la de todas las demás tecnologías fotovoltaicas procesadas por soluciones y un 5 por ciento más baja que la de las fotovoltaicas comerciales basadas en silicio. Conservaron el 85 por ciento de su eficiencia máxima después de 800 horas de funcionamiento continuo en el punto de máxima potencia. y su densidad de corriente no mostró degradación fotoinducida en todo el 1, 500 horas.

"Este trabajo acelerará la comprensión científica necesaria para lograr células solares de perovskita que sean estables, ", Dijo Mohite." También abre nuevas direcciones para descubrir fases y comportamientos emergentes que surgen de la naturaleza estructural dinámica, o suavidad, de la celosía de perovskita ".

Los investigadores principales indicaron que el estudio va más allá de la energía fotovoltaica, ya que se conecta, por primera vez, Dinámica estructural activada por luz con procesos de transporte electrónicos fundamentales. Anticipan que conducirá a tecnologías que explotan la luz, fuerza u otros desencadenantes externos para adaptar las propiedades de los materiales a base de perovskita.