Las perovskitas, una amplia categoría de compuestos que comparten una determinada estructura cristalina, han atraído una gran atención como posibles nuevos materiales de células solares debido a su bajo costo. flexibilidad, y proceso de fabricación relativamente fácil. Pero aún se desconoce mucho sobre los detalles de su estructura y los efectos de la sustitución de diferentes metales u otros elementos dentro del material.

Las células solares convencionales hechas de silicio deben procesarse a temperaturas superiores a 1, 400 grados centígrados, utilizando equipos costosos que limitan su potencial para escalar la producción. A diferencia de, las perovskitas se pueden procesar en una solución líquida a temperaturas tan bajas como 100 grados, utilizando equipo económico. Y lo que es más, las perovskitas se pueden depositar en una variedad de sustratos, incluidos los plásticos flexibles, permitiendo una variedad de nuevos usos que serían imposibles con más gruesos, obleas de silicio más rígidas.

Ahora, Los investigadores han podido descifrar un aspecto clave del comportamiento de las perovskitas elaboradas con diferentes formulaciones:con ciertos aditivos hay una especie de "punto óptimo" donde mayores cantidades mejorarán el rendimiento y más allá del cual mayores cantidades comenzarán a degradarlo. Los hallazgos se detallan esta semana en la revista. Ciencias , en un artículo del ex postdoctorado del MIT Juan-Pablo Correa-Baena, Los profesores del MIT Tonio Buonassisi y Moungi Bawendi, y otras 18 personas en el MIT, la Universidad de California en San Diego, y otras instituciones.

Las perovskitas son una familia de compuestos que comparten una estructura cristalina de tres partes. Cada parte se puede fabricar a partir de varios elementos o compuestos diferentes, lo que da lugar a una amplia gama de posibles formulaciones. Buonassisi compara el diseño de una nueva perovskita con el pedido de un menú, eligiendo uno (o más) de cada columna A, columna B, y (por convención) la columna X. "Puede mezclar y combinar, " él dice, pero hasta ahora todas las variaciones solo podían ser estudiadas por ensayo y error, ya que los investigadores no tenían una comprensión básica de lo que estaba sucediendo en el material.

En una investigación previa realizada por un equipo de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne suiza, en el que participó Correa-Baena, había descubierto que agregar ciertos metales alcalinos a la mezcla de perovskita podría mejorar la eficiencia del material para convertir la energía solar en electricidad, de aproximadamente el 19 por ciento a aproximadamente el 22 por ciento. Pero en ese momento no había explicación para esta mejora, y no se entendía exactamente qué estaban haciendo estos metales dentro del compuesto. "Se sabía muy poco sobre cómo la microestructura afecta el rendimiento, "Dice Buonassisi.

Ahora, mapeo detallado utilizando mediciones de fluorescencia de nano-rayos X de sincrotrón de alta resolución, que puede sondear el material con un rayo de apenas una milésima del ancho de un cabello, ha revelado los detalles del proceso, con pistas potenciales sobre cómo mejorar aún más el rendimiento del material.

Resulta que al agregar estos metales alcalinos, como cesio o rubidio, al compuesto de perovskita ayuda a que algunos de los otros componentes se mezclen más suavemente. Como lo describe el equipo, estos aditivos ayudan a "homogeneizar" la mezcla, haciendo que conduzca la electricidad con mayor facilidad y mejorando así su eficiencia como célula solar. Pero, ellos encontraron, eso solo funciona hasta cierto punto. Más allá de cierta concentración, estos metales agregados se agrupan, formando regiones que interfieren con la conductividad del material y contrarrestan parcialmente la ventaja inicial. Entre, para cualquier formulación dada de estos compuestos complejos, es el punto óptimo que ofrece el mejor rendimiento, ellos encontraron.

"Es un gran hallazgo, "dice Correa-Baena, quien en enero se convirtió en profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Georgia Tech. Lo que encontraron los investigadores, después de unos tres años de trabajo en el MIT y con colaboradores en UCSD, fue "lo que sucede cuando agregas esos metales alcalinos, y por qué mejora el rendimiento ". Pudieron observar directamente los cambios en la composición del material, y revelar, entre otras cosas, estos efectos compensatorios de homogeneización y aglutinación.

"La idea es que, basado en estos hallazgos, ahora sabemos que deberíamos buscar en sistemas similares, en términos de adición de metales alcalinos u otros metales, "o variando otras partes de la receta, Dice Correa-Baena. Si bien las perovskitas pueden tener importantes beneficios sobre las células solares de silicio convencionales, especialmente en términos del bajo costo de establecer fábricas para producirlos, todavía requieren más trabajo para aumentar su eficiencia general y mejorar su longevidad, que está muy por detrás de la de las células de silicio.

Aunque los investigadores han aclarado los cambios estructurales que se producen en el material de perovskita al agregar diferentes metales, y los cambios resultantes en el rendimiento, "todavía no entendemos la química detrás de esto, ", Dice Correa-Baena. Ese es el tema de la investigación en curso del equipo. La eficiencia máxima teórica de estas células solares de perovskita es de aproximadamente el 31 por ciento, según Correa-Baena, y el mejor rendimiento hasta la fecha es de alrededor del 23 por ciento, por lo que queda un margen significativo de mejora potencial.

Aunque las perovskitas pueden tardar años en alcanzar todo su potencial, al menos dos empresas ya están en proceso de establecer líneas de producción, y esperan comenzar a vender sus primeros módulos dentro del próximo año. Algunos de estos son pequeños Células solares transparentes y coloridas diseñadas para integrarse en la fachada de un edificio. "Ya está sucediendo, Correa-Baena dice, "pero aún queda trabajo por hacer para que estos sean más duraderos".

Una vez que los problemas de fabricabilidad a gran escala, eficiencia, y la durabilidad se abordan, Buonassisi dice:las perovskitas podrían convertirse en un actor importante en la industria de las energías renovables. "Si logran hacer sostenible, módulos de alta eficiencia preservando el bajo costo de fabricación, eso podría cambiar las reglas del juego, ", dice." Podría permitir la expansión de la energía solar mucho más rápido de lo que hemos visto ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.