La luz hace que algunos materiales sean conductores de una manera previamente imprevista. En células solares de silicio, los electrones fluyen cuando brilla el sol. Sin embargo, Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, con sede en Stuttgart, han encontrado una sorpresa:en una perovskita especial, otro material utilizado para células solares, la luz no solo libera electrones, sino también átomos cargados eléctricamente, conocidos como iones. Es más, este nuevo fotoefecto es extremadamente grande. La conductividad iónica aumentó en un factor de cien. Para las células solares fabricadas con el material investigado aquí, la alta conductividad iónica inducida por la luz es bastante perjudicial; las consecuencias, sin embargo, ahora se puede contrarrestar específicamente. Desde el punto de vista de los investigadores de Stuttgart, el efecto es innovador en sí mismo, como lo hace novedoso, aplicaciones electroquímicas controladas por luz concebibles, como baterías cargadas directamente con luz.

Cuando se trata de eficiencia, Las células solares de silicio establecen estándares. Pero especialmente para elementos fotovoltaicos con eficiencias particularmente altas, La producción de silicio es compleja y cara. Materiales denominados perovskitas, por su estructura, podría ofrecer una alternativa menos costosa aquí. Un equipo de científicos encabezado por Joachim Maier, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, Ahora han examinado cómo la luz influye en el transporte de electricidad en estos materiales basados ​​en el yoduro de plomo de metilamonio perovskita (MAPI). Su interés en estos materiales se despertó durante una colaboración con Michael Grätzel, que realiza investigaciones en la École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) y es miembro científico externo del Instituto Max Planck con sede en Stuttgart.

En sus experimentos, los investigadores ahora observaron que los iones, que tiene átomos cargados, contribuyen a la conductividad en un grado inesperadamente alto cuando el material está iluminado. En células solares de perovskita, el efecto puede provocar alteraciones estructurales y perjudicar la eficiencia. "Sin embargo, nuestros hallazgos pueden ayudar a prevenir tales procesos de envejecimiento, "dice Joachim Maier. Para el químico, sin embargo, el fenómeno como tal es más emocionante principalmente porque crea la posibilidad fundamental de liberar iones móviles con la ayuda de la luz, a saber, los portadores de carga que transportan electricidad en aplicaciones electroquímicas como baterías, pilas de combustible o sensores e interruptores electroquímicos.

Que la luz influye en el transporte de iones solo se ha demostrado previamente en biología:la iluminación puede alterar indirectamente la permeabilidad de una membrana celular. "Muy sorprendente, sin embargo, es el hecho de que la conducción iónica de los sólidos cristalinos puede modificarse directamente y en qué medida esto es posible, ", dice Joachim Maier. Su equipo observó cómo el número de iones de yoduro libres se incrementaba en un factor de cien. La conducción iónica se incrementa así en un grado similar al conocido para la conductividad electrónica inducida por la luz.

Los investigadores de Stuttgart no solo demostraron el fenómeno de forma experimental. También pueden explicarlo. Según ellos, la luz inicialmente libera electrones, como es habitual en las células solares. Los electrones cargados negativamente dejan huecos cargados positivamente en la red cristalina, como dirían los físicos. Estos neutralizan los iones de yoduro cargados negativamente dentro del cristal. Debido a que un átomo de yodo sin carga es mucho más pequeño que un ión de yoduro, ocupa un espacio llamado intersticial, es decir, un espacio libre en la red cristalina en el que no cabe el ion yoduro más grande. Los huecos resultantes en la red cristalina permiten la conducción de iones de la misma manera que los huecos de electrones permiten la conducción de electrones. "Es fundamental para este efecto que existe un mecanismo que traduce los agujeros creados por la luz directamente en conductividad iónica, "dice Joachim Maier.

Los investigadores utilizaron varios métodos para probar el efecto más allá de toda duda. En un experimento inicial, usaron contactos eléctricos para MAPI que bloqueaban los iones, es decir, dejaron pasar sólo los electrones. Usaron una corriente específica y midieron el voltaje. Si los iones están involucrados en el flujo de corriente, el voltaje debe aumentar después de un corto tiempo, porque solo pueden moverse inicialmente, pero luego son bloqueados por los contactos. Esto fue exactamente lo que observaron los investigadores de Stuttgart.

El voltaje medido en un circuito abierto también proporcionó una clara evidencia de conducción iónica, que fue generado por los investigadores usando la perovskita como la fase electrolítica de una celda de batería iluminada:si los electrones en el material transportaban principalmente corriente, se produciría un cortocircuito, y no se produciría voltaje. Sin embargo, utilizando un material conductor iónico como electrolito, se puede medir el voltaje anticipado de la batería.

Los investigadores demostraron directamente el transporte de yodo en dos experimentos más. Expusieron un lado de la perovskita al yodo gaseoso. Pegaron una película de cobre al otro lado, que actúa como un llamado sumidero de yodo debido a su propensión a reaccionar para formar yoduro de cobre. Bajo iluminación este proceso ocurrió a muy alta velocidad. El transporte del yodo dentro de la muestra de perovskita también se demostró mediante un experimento en el que el tolueno actuó como sumidero exterior del elemento. Los investigadores demostraron espectroscópicamente que la concentración de yodo en el tolueno aumentaba tan pronto como se iluminaba la perovskita.

El mecanismo observado por los científicos en Stuttgart es reversible, Maier enfatiza. No destruye el material. Solo cuando el material de perovskita está en contacto con una sustancia que une el yodo de forma permanente, o cuando el yodo se escapa a la atmósfera, ¿Se degrada el material con el tiempo?

En el futuro cercano, los investigadores no tienen la intención de contentarse con solo comprender los mecanismos de degradación y, en última instancia, prevenirlos. ¿Qué es más importante? según Joachim Maier, es investigar el efecto en sí, porque representa una novedad en la investigación del estado sólido. "Examinaremos otros materiales para ver si ocurren fenómenos similares, ", dice Joachim Maier. Los investigadores también se están centrando en la cuestión de cómo se puede explotar técnicamente este efecto. Para ello, primero desarrollarán ideas, como hacia la utilización de almacenamiento estimulado por luz, y luego busque materiales adecuados para tales aplicaciones. "La conductividad iónica representa un fenómeno clave en un contexto de investigación energética, ", dice Joachim Maier." Pero en muchos aspectos, especialmente en lo que respecta a la exposición a la luz, sigue siendo terra incognita ". Los investigadores de Max Planck en Stuttgart tienen la intención de cambiar esto.