En la búsqueda por diseñar células solares y diodos emisores de luz (LED) más eficientes, un equipo de ingenieros ha analizado diferentes tipos de defectos en el material semiconductor que permite que dichos dispositivos determinen si afectan el rendimiento y cómo lo hacen.

Rohan Mishra, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, dirigió un amplio equipo de investigadores, incluida la Universidad de Washington, en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee y en la Universidad de Missouri-Columbia, que estudió la estructura y propiedades de los defectos planos que ocurren comúnmente a escala atómica, que abarca solo unas pocas décimas de nanómetro.

El equipo de Mishra estudió perovskitas de haluro de plomo, una nueva clase de semiconductores de alto rendimiento que se están explorando para la próxima generación de células solares de bajo costo para permitir la conversión de energía solar en electricidad con alta eficiencia.

Cuando se fabrican estos materiales, Pueden ocurrir defectos donde se encuentran diferentes cristales, conocidos como límites de grano. En semiconductores convencionales, estos defectos pueden disminuir su conductividad eléctrica y la eficiencia de conversión de energía solar en electricidad; sin embargo, en perovskitas de haluro de plomo, Existen diferentes informes experimentales sobre la actividad de los límites de grano. En algunos casos, se descubren que son dañinos, mientras que en otros casos no tienen ningún impacto en el rendimiento o incluso son beneficiosos. Pero, hasta la fecha, nadie entendió por qué. El equipo de Mishra explicó por qué en Materiales avanzados , 3 de diciembre.

"Un pequeño defecto a escala atómica tiene un gran impacto en la célula solar, "Dijo Mishra." Si falta un átomo específico en estos límites de grano, tu celular no funcionará bien ".

En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Arashdeep Singh Thind, un estudiante de doctorado en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Washington que trabaja en el laboratorio de Mishra, realizó las imágenes con uno de los microscopios electrónicos más potentes para observar la estructura atómica de los límites de los granos. Guangfu Luo, un ex científico investigador en el laboratorio de Mishra que es profesor asistente en la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en Shenzen, Porcelana, luego usó cálculos de mecánica cuántica realizados en algunas de las supercomputadoras más rápidas para comprender las propiedades electrónicas de estos límites de grano.

En semiconductores de silicio, los límites de los granos causan estragos, pero en perovskitas de haluro de plomo, puede que no. Y eso depende de la concentración de iones haluro, un elemento crítico para las propiedades.

"Si cultivas los cristales en un entorno pobre en haluros, entonces los límites de grano son terribles para el rendimiento, ", Dijo Mishra." Pero si puedes cultivarlos o recocerlos [calentarlos y recombinarlos] en una atmósfera rica en haluros, los límites de los granos están bien ".

Thind también examinó otro tipo de falla plana conocida como fallas Ruddlesden-Popper, en el que los planos de cristales se apilan incorrectamente; por ejemplo, en lugar de estar alineados en filas ordenadas, una de las filas se desplaza ligeramente hacia la izquierda o hacia la derecha por una columna atómica. De nuevo, mediante el uso de cálculos de mecánica cuántica, Luo y Mishra descubrieron que al tener una gran densidad de tales fallas de apilamiento, podría ser posible obtener una emisión óptica brillante a partir de nanopartículas grandes y más estables de ciertas perovskitas de haluro de plomo, lo que podría allanar el camino para los LED con una vida útil más larga.

"El desafío para los experimentadores es diseñar fallas de apilamiento a distancias periódicas, "Dijo Mishra.

En una investigación relacionada publicada en ACS Applied Nano Materials el 16 de octubre, El equipo de Mishra trabajó con investigadores de la Universidad de Missouri-Columbia, quienes encontraron una nueva ruta química para promover el crecimiento de perovskitas de haluro de plomo con una alta densidad de tales fallas de apilamiento. Al eliminar los ligandos de superficie, un ion o molécula que se une a un átomo de superficie de un nanocristal, nanocristales de perovskita de haluro de plomo más pequeños se fusionaron y crecieron de aproximadamente 8 nanómetros a 60 nanómetros en 48 horas.

Estos nuevos nanocristales tenían propiedades ópticas significativamente mejoradas debido a las fallas de apilamiento formadas durante el proceso de fusión. que Thind encontró usando microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica. Además, los nanocristales eran más estables cuando se exponían a la luz, tenía líneas de emisión más nítidas y un rendimiento cuántico más alto. Con estos defectos, Se espera que los nuevos nanocristales mejoren las propiedades de emisión de luz de los nanocristales de perovskita de haluro de plomo, resultando en mejores LED y otros dispositivos optoelectrónicos.

Esta nueva información brinda a ingenieros como Mishra y Thind más información para encontrar alternativas al plomo en las células solares. que no solo contienen plomo tóxico, pero también son inestables a la luz, humedad y calor y se descomponen en cuestión de días, fugas de plomo en las aguas subterráneas. Mishra está estudiando si un elemento no tóxico, el bismuto, vecino del plomo en la tabla periódica, es un sustituto más seguro e igualmente eficiente del plomo en las perovskitas.