El nombre de un mineral descubierto en los Montes Urales de Rusia, las perovskitas han tomado un lugar central como una clase de materiales con propiedades que podrían aplicarse a futuros dispositivos electrónicos y energéticos.

Las películas semiconductoras hechas de perovskitas prometen ser flexibles, células solares ligeras que son baratas y fáciles de fabricar con materiales abundantes. Si bien aún no están disponibles comercialmente, los obstáculos incluyen hacerlos más estables y duraderos, pueden transformar la industria de la energía solar en la próxima década o dos.

Para los científicos, perovskitas también presentan un acertijo interesante:comience con cualquier cantidad de variaciones en los ingredientes básicos para hacerlas:plomo, yoduro y metilamonio, y terminas con el mismo material básico. Todavía, Los ajustes a la química en varias etapas del proceso pueden conducir a perovskitas con cualidades más deseables para las células solares.

Para los investigadores de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) y de la Universidad de Stanford, el misterio y el potencial de las perovskitas convergen en experimentos en los que se utilizan rayos X extremadamente brillantes para estudiar la química del material en los mismos momentos en que se está formando. Las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en SLAC National Accelerator Laboratory ofrecen múltiples formas de abordar el problema y descubrir nuevos conocimientos sobre este material útil.

Le preguntamos a los científicos del personal de SSRL, Christopher Tassone y Kevin Stone, Doctorado en Química de Stanford. estudiante Aryeh Gold-Parker y Michael Toney, jefe de la división de ciencia de materiales de SSRL, lo que descubrieron recientemente sobre la química de la perovskita y hacia dónde esperan que les lleve su trabajo.

Su investigación fue publicada hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

¿Cómo se fabrican las perovskitas? y ¿qué te interesa de este proceso?

Piedra:Empiece por disolver algunos ingredientes básicos en un solvente. Luego deposita esa solución y la seca en una película. Luego, la película se transforma en la perovskita final mediante un tratamiento como el recocido, lo que implica calentarlo a una cierta temperatura y luego enfriarlo nuevamente. Estamos interesados ​​en la química de todo ese proceso y cómo evoluciona en cada etapa. La idea es que si puedes entender lo que llamamos la "química de formación" de las perovskitas, puede crear los materiales para que tengan las propiedades exactas que desea.

Gold-Parker:Existen docenas de métodos diferentes para depositar películas de perovskita, por ejemplo. Y estos métodos dan lugar a diferencias de grosor, textura, tamaño de grano y cristalinidad de las películas. En el laboratorio, La creación de perovskitas con características distintivas se realiza principalmente mediante prueba y error. Los ingenieros realizan pequeños cambios en el proceso para optimizar la propiedad en particular que les interesa, ya sea el voltaje o el rendimiento de la celda solar. La prueba y el error pueden funcionar, pero no es eficiente.

Tassone:Mi grupo está realmente interesado en cómo fabricamos grandes cantidades de paneles solares a un precio muy bajo para satisfacer las crecientes demandas de energía solar y objetivos de energía limpia. Las células solares de silicio convencionales no se pueden fabricar con la suficiente rapidez. Creemos que si podemos comprender las transformaciones químicas que están ocurriendo durante el proceso de fabricación de células solares de perovskita, en última instancia, podemos diseñar mejores procesos que satisfagan las necesidades de la industria.

¿De qué se trató su último estudio?

Gold-Parker:Nuestro estudio se basa en el trabajo de otros grupos de investigadores en Oxford, Cornell y Stanford que demostraron que el uso de cloro en el procesamiento puede conducir a películas de perovskita de alta calidad con un rendimiento impresionante. Después de que se deposita la solución, hay un paso intermedio en el que se forma una película cristalina, a esto lo llamamos precursor, y luego una sal gaseosa de cloro llamada cloruro de metilamonio (MACI) sale de la película continuamente mientras se convierte en una perovskita. Hace unos pocos años, un estudio de SSRL por mí mismo, Toney y sus colaboradores demostraron que queda muy poco cloro en el producto final. Aunque empiece con bastante cloro, la gran mayoría se pierde en el procesamiento.

Stone:En este último estudio queríamos saber:¿A dónde va el cloro y para qué sirve? ¿Por qué el cloro en primer lugar? En qué consiste el precursor, y ¿cómo está influyendo en esta transformación?

¿Qué encontraste?

Stone:Pudimos averiguar cuál es la estructura de ese precursor cristalino, cómo se juntan los átomos, y aproximadamente la cantidad de cloro presente. Cuando lo calentamos durante la etapa de recocido, vemos que el precursor cristalino persiste durante bastante tiempo antes de que comience a transformarse en perovskita.

Gold-Parker:También pudimos demostrar que la transformación en la perovskita final está limitada por la evaporación gradual de MACl, y que esta lenta transformación podría conducir a un material de perovskita de mayor calidad.

Toney:También hay implicaciones más amplias. Los cálculos teóricos pueden decirle con buena precisión las propiedades que tendrá su material. Pero casi no brindan orientación sobre cómo sintetizarlo. Esta pregunta ha despertado el interés de la comunidad científica durante muchas décadas, pero más aún en los últimos cinco años, en lo que se ha llamado ciencia de síntesis:comprender cómo se hace realmente algo. ¿Cuáles son los procesos por los que pasa el material, los caminos? Este estudio es un buen ejemplo de cómo desenredar ese proceso de síntesis, y como resultado, obtenga información sobre cómo podríamos rediseñarlo.

¿Cómo lo estudiaste?

Tassone:Usamos múltiples versiones de dos técnicas llamadas dispersión de rayos X y espectroscopía de rayos X. La dispersión de rayos X se utiliza para estudiar la estructura; te dice dónde están ubicados los átomos en materiales cristalinos. La espectroscopia de rayos X es una técnica complementaria. Te informa sobre la química de la película, cuántos de los diferentes elementos químicos están presentes y cómo se unen.

Gold-Parker:Estos métodos nos permitieron sondear cambios en la estructura cristalina y la cantidad de cloro a lo largo de la transformación. así como el estado químico del cloro. Y muy importante utilizamos cada una de esas técnicas in situ, o cuando los cambios están ocurriendo realmente. SSRL tiene capacidades de clase mundial para diseñar y realizar este tipo de experimentos in situ que monitorean el proceso real en lugar de solo los puntos inicial y final. y eso fue realmente poderoso.

Tassone:Lo que hace que este resultado y nuestro enfoque sean muy sólidos es que usamos la interpretación de los datos de dispersión para informar la interpretación de los datos de espectroscopía, y viceversa. No hubiéramos resuelto este mecanismo sin unir esas cosas. En el documento presentamos un camino claro para cualquier persona que quiera estudiar los procesos involucrados en la fabricación de este u otros materiales. Este es un paso importante en la investigación de las perovskitas, pero también en el campo más amplio de la ciencia de síntesis que describió Mike.

¿Que sigue?

Stone:Me gustaría estudiar qué sucede en la solución antes de que se seque, así que en una etapa anterior del proceso. También me gustaría ampliar nuestros métodos para incluir otros materiales de perovskita.

Toney:Otro punto a seguir está relacionado con el papel del cloro que está presente en la película en este ejemplo específico. Sirve como mediador o regulador, y ralentiza la conversión. ¿Cómo funciona este concepto general de mediador, un compuesto que tiene un propósito pero que no termina en su material final, en este proceso u otros procesos o materiales? El silicio se ha estudiado durante al menos 50 años, perovskitas por cinco, así que tenemos mucho trabajo por delante.

Tassone:Tengo dos puntos para seguir adelante. Una es cómo desarrollamos los procesos que funcionarán a escala y permitirán que la energía solar sea asequible para todos y realmente tenga un gran impacto en nuestro panorama energético. El otro es, basado en el hecho de que las perovskitas son el desarrollo de semiconductores más emocionante en la última década o dos, ¿Cómo podemos utilizar las propiedades únicas de este material para otras aplicaciones también?