La dispersión de neutrones ha revelado, en tiempo real, los mecanismos fundamentales detrás de la conversión de la luz solar en energía en materiales híbridos de perovskita. Una mejor comprensión de este comportamiento permitirá a los fabricantes diseñar células solares con mayor eficiencia.

El equipo multiinstitucional de investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, La Universidad de Hunan y la Universidad de Nebraska-Lincoln utilizaron mediciones de fotoluminiscencia, junto con la dispersión de neutrones y rayos X, estudiar la relación entre la estructura microscópica del material y sus propiedades optoelectrónicas. Examinando el material bajo diferentes grados de temperatura, los investigadores pudieron rastrear los cambios estructurales atómicos y establecer cómo los enlaces de hidrógeno juegan un papel clave en el rendimiento del material. Sus resultados se publican en la revista Materiales avanzados .

Las perovskitas híbridas prometen ser más eficientes en la conversión de luz en energía que los materiales tradicionales de células solares. También son más fáciles de fabricar, ya que pueden centrifugarse a partir de una solución y no requieren cámaras de alto vacío para la síntesis.

A diferencia de sus contrapartes singulares de silicio o germanio, Las perovskitas híbridas están hechas de moléculas tanto orgánicas como inorgánicas. La estructura está construida a partir de moléculas inorgánicas de plomo y bromo dispuestas en unidades octaédricas que forman jaulas alrededor de los cationes orgánicos de metilamonio (iones cargados positivamente) que consisten en carbono, nitrógeno e hidrógeno.

"La ventaja de tener moléculas tanto orgánicas como inorgánicas en una estructura cristalina bien definida significa que podemos adaptar el material ajustando un grupo u otro para optimizar las propiedades, "dijo Kai Xiao, investigador del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL. "Pero a pesar de que los investigadores han estado estudiando estos materiales durante varios años, todavía no entendemos completamente en un nivel fundamental cómo los componentes orgánicos están afectando las propiedades ".

Encontrar la combinación correcta y la orientación molecular de los componentes orgánicos / inorgánicos es la clave para desbloquear más funcionalidades, pero comprender esas interacciones requiere las herramientas adecuadas.

"Los neutrones son muy buenos en esto porque son sensibles a elementos más ligeros como el hidrógeno, ", dijo el científico de instrumentos ORNL Xiaoping Wang." Debido a que podemos rastrear cada neutrón, obtenemos información sobre cosas como dónde están los átomos, cuál es su temperatura, y cómo se están comportando ".

Usando el instrumento TOPAZ en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, el equipo pudo observar las interacciones de los enlaces de hidrógeno a escala atómica.

El experimento reveló que el material sufre cambios estructurales significativos entre aproximadamente 150 y 130 Kelvin (aproximadamente -190 y -225 grados Fahrenheit). El enfriamiento del material ralentizó el movimiento del componente orgánico a un estado ordenado, en el que se realizaron mediciones precisas in situ en tiempo real para observar exactamente cómo las moléculas orgánicas se unían al componente plomo-bromo a través de enlaces de hidrógeno.

"Vimos que el orden está directamente relacionado con los enlaces de hidrógeno en la estructura, y cómo los cambios pueden afectar la brecha de energía del material, ", dijo Wang." Eso nos permite saber qué tan bien se está absorbiendo la luz solar y lo que eso podría significar en términos de aplicaciones para materiales fotovoltaicos ".

Mediciones complementarias de fotoluminiscencia y dispersión de rayos X, junto con la síntesis de cristales, se llevaron a cabo en CNMS. Los cálculos teóricos fueron realizados por científicos de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL.

"Las perovskitas híbridas ya son un buen material, "dijo Xiao." Ahora que sabemos cómo la orientación de las moléculas orgánicas impacta la estructura cristalina, y cómo podemos ajustarlos más para cambiar las propiedades deseadas, esta nueva comprensión fundamental nos permitirá diseñar nuevos materiales con un potencial aún mayor ".