Esta serie de imágenes muestra un esqueleto de dólar de arena que se convierte gradualmente en una perovskita emisora de luz. Las instantáneas de esta conversión se toman en 0 s, 5s, 15 años, y 40 años. Crédito:Laboratorio Noorduin, AMOLF
Los investigadores de AMOLF han encontrado una forma de hacer que las estructuras de carbonato de calcio sean adecuadas para su uso en electrónica. Lo hacen modificando la composición del material para que se convierta en un semiconductor sin perder su forma. Esto podría conducir a células solares más eficientes y estables. Esta investigación fue publicada en la revista Química de la naturaleza el 4 de junio 2018.
En principio, sería posible realizar el experimento en la playa utilizando el esqueleto ovalado blanco de una sepia o un erizo de mar, dice Wim Noorduin, líder de grupo Self Organizing Matter en AMOLF. "El experimento no implica más que gotear dos líquidos sobre la estructura de carbonato de calcio. La conversión se completa en un par de minutos. Si ilumina la estructura con una lámpara UV, puede ver la conversión que tiene lugar frente a sus ojos:el esqueleto de erizo de mar, que inicialmente aparece azul debajo de la lámpara, cambia a una estructura verde brillante con cada gota ".
Noorduin convierte estructuras de carbonato de calcio como el esqueleto de un erizo de mar en perovskita, un material novedoso muy prometedor para células solares. "En efecto, esto es alquimia, "dice Noorduin." Midas cambió todo en oro, y ahora estamos cambiando el carbonato de calcio en perovskita ".
El carbonato de calcio es muy abundante en la Tierra, y se puede encontrar en minas de tiza y esqueletos de animales, por ejemplo. Noorduin había encontrado previamente una forma de hacer una variedad de microestructuras a partir del calcio para comprender cómo lo hace la naturaleza. Pero el material tiene pocas aplicaciones. Perovskita, sin embargo, ofrece más posibilidades, y es un material novedoso muy prometedor para las células solares. Las células solares producidas a partir de la perovskita semiconductora son más eficientes y más baratas que las células solares de silicio tradicionales. También son objeto de cada vez más investigaciones. "Al convertir una estructura predeterminada de carbonato de calcio en la perovskita funcional, ahora tenemos control sobre la forma y función del material, "dice Noorduin.
Microestructuras de semiconductores 3D:al elegir la composición de iones específica durante la reacción de conversión, podemos ajustar el color en todo el espectro visible desde azul sobre verde hasta rojo. El coral azul es cloruro de plomo metilamonio, la espiral verde es bromuro de plomo metil amonio y los jarrones rojos son yoduro de plomo metil amonio. Las imágenes se toman con un microscopio electrónico modificado que recoge luz, esta técnica se llama catodoluminiscencia (CL). Crédito:Laboratorio Noorduin, AMOLF
Noorduin espera que el nuevo material conduzca a células solares mejoradas. Como los investigadores ahora tienen control sobre la forma de la célula solar, pueden producir una estructura que capture la luz del sol con mayor eficacia. Es más, la vida útil de la generación actual de células solares hechas de perovskita es demasiado corta ya que la perovskita se degrada demasiado rápido. "Creemos que nuestras microestructuras de perovskita son mucho más estables. Por tanto, las células solares fabricadas con este material deberían durar más, "dice Noorduin". Además, podemos producir estructuras de perovskita en todos los colores deseados. Esto significa que el material también podría usarse para LED en varias aplicaciones, como pantallas, "dice el investigador.
Con el nuevo proceso, desarrollado por el Ph.D. de Noorduin. los investigadores Lukas Helmbrecht y Hans Hendrikse, es posible convertir todas las estructuras de carbonato de calcio, como el esqueleto de un erizo de mar o las microestructuras de Noorduin, en perovskita. Este proceso se refiere a la conversión controlada de una estructura cristalina en otra, que es un proceso difícil en química. Una estructura de cristal es similar a una colección de canicas apiladas. Los iones del carbonato de calcio son diferentes de los de la perovskita, y el apilamiento también es diferente. Los investigadores reemplazan todos los iones en el carbonato de calcio, primero, los iones de calcio cargados positivamente con hierro de plomo, y luego los carbonatos cargados negativamente con cloruro, por ejemplo. Finalmente, añaden otro ion, metil amonio. Este último ingrediente da lugar a un nuevo patrón de apilamiento como resultado del cual se produce la perovskita.
El experimento es simple, una vez que sepa cómo realizarlo, dice Noorduin. La dificultad de convertir el carbonato de calcio en perovskita es que todo es diferente:no solo la composición de cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente, sino también la estructura cristalina, dice Noorduin. "Las condiciones de reacción, como concentración y nivel de pH, debe ser exactamente correcto, de lo contrario, la estructura se desmorona inmediatamente. Nos tomó seis meses descubrir esas condiciones exactas ".
Por ejemplo, el intercambio de cationes en el primer paso debe ser perfecto. El segundo paso es aún más difícil porque la estructura cristalina debe cambiar. También descubrimos que era vital asegurarnos de que este último paso ocurra muy rápidamente para evitar que la estructura se desmorone.
Otros materiales
El método de intercambio iónico se puede utilizar en una amplia gama de materiales. No solo carbonato de calcio, pero también son adecuados el carbonato de bario y el carbonato de estroncio, y posiblemente también sulfatos. Los investigadores de AMOLF esperan que la reacción también se pueda expandir a otros tipos de perovskita para hacer posible una amplia gama de aplicaciones. "Podemos aplicar los principios a otros materiales como los catalizadores. En esos casos, you want to be able to control the material's surface shape and composition as well."
