Los investigadores de ingeniería de la Universidad de Toronto han combinado dos tecnologías emergentes para la energía solar de próxima generación y han descubierto que cada una ayuda a estabilizar la otra. El material híbrido resultante es un paso importante para reducir el costo de la energía solar y multiplicar las formas en que se puede utilizar.

Hoy en día, prácticamente todas las células solares están hechas de silicio de alta pureza. Es una tecnología bien establecida, y en los últimos años el costo de fabricación se ha reducido significativamente debido a las economías de escala. Sin embargo, el silicio tiene un límite superior para su eficiencia. Un equipo dirigido por el profesor Ted Sargent está buscando materiales complementarios que puedan mejorar el potencial de captación solar del silicio al absorber longitudes de onda de luz que el silicio no hace.

"Dos de las tecnologías que perseguimos en nuestro laboratorio son los cristales de perovskita y los puntos cuánticos, "dice Sargent." Ambos son susceptibles de procesamiento de solución. Imagine una 'tinta solar' que pudiera imprimirse en plástico flexible para crear bajo costo, células solares flexibles. También podemos combinarlos delante de, o detrás, células solares de silicio para mejorar aún más su eficiencia ".

Uno de los desafíos clave que enfrentan tanto las perovskitas como los puntos cuánticos es la estabilidad. A temperatura ambiente, algunos tipos de perovskitas experimentan un ajuste en su estructura cristalina tridimensional que las vuelve transparentes:ya no absorben completamente la radiación solar.

Por su parte, Los puntos cuánticos deben cubrirse con una capa delgada conocida como capa de pasivación. Esta capa, de solo una molécula de espesor, evita que los puntos cuánticos se peguen entre sí. Pero las temperaturas superiores a 100 C pueden destruir la capa de pasivación, haciendo que los puntos cuánticos se agreguen o se agrupen, arruinando su capacidad para cosechar luz.

En un artículo publicado hoy en Naturaleza , un equipo de investigadores del laboratorio de Sargent informa sobre una forma de combinar perovskitas y puntos cuánticos que estabiliza a ambos.

"Antes de hacer esto, la gente generalmente trataba de abordar los dos desafíos por separado, "dice Mengxia Liu, el autor principal del artículo.

"La investigación ha demostrado el crecimiento exitoso de estructuras híbridas que incorporaron tanto perovskitas como puntos cuánticos, "dice Liu, quien ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Cambridge. "Esto nos inspiró a considerar la posibilidad de que los dos materiales pudieran estabilizarse entre sí si comparten la misma estructura cristalina".

Liu y el equipo construyeron dos tipos de materiales híbridos. Uno era principalmente puntos cuánticos con aproximadamente un 15% de perovskitas en volumen, y está diseñado para convertir la luz en electricidad. El otro eran principalmente perovskitas con menos del 15% de puntos cuánticos por volumen, y se adapta mejor a convertir la electricidad en luz, por ejemplo, como parte de un diodo emisor de luz (LED).

El equipo pudo demostrar que el material rico en perovskita se mantuvo estable en condiciones ambientales (25 C y 30% de humedad) durante seis meses. aproximadamente diez veces más largo que los materiales compuestos de la misma perovskita sola. En cuanto al material de puntos cuánticos, cuando se calienta a 100 C, la agregación de las nanopartículas fue cinco veces menor que si no se hubieran estabilizado con perovskitas.

"Probó nuestra hipótesis notablemente bien, ", dice Liu." Fue un resultado impresionante que superó nuestras expectativas ".

El nuevo documento proporciona una prueba de concepto de la idea de que este tipo de materiales híbridos pueden mejorar la estabilidad. En el futuro, Liu espera que los fabricantes de células solares tomen sus ideas y las mejoren aún más para crear células solares procesadas en solución que cumplan con los mismos criterios que el silicio tradicional.

"Los investigadores industriales podrían experimentar utilizando diferentes elementos químicos para formar las perovskitas o puntos cuánticos, ", dice Liu." Lo que hemos demostrado es que esta es una estrategia prometedora para mejorar la estabilidad en este tipo de estructuras ".

"Las perovskitas han mostrado un tremendo potencial como materiales solares; pero se necesitan soluciones fundamentales para convertirlas en materiales estables y robustos que puedan cumplir con los exigentes requisitos del sector de las energías renovables". dice Jeffrey C. Grossman, Morton and Claire Goulder and Family Professor en Sistemas Ambientales y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el estudio. "El estudio de Toronto muestra una nueva y emocionante vía para avanzar en el conocimiento, y el logro, de fases cristalinas estables de perovskita ".

Liu atribuye el descubrimiento en parte al entorno colaborativo en el equipo, que incluía investigadores de muchas disciplinas, incluida la química, la física y su propio campo de la ciencia de los materiales.

"La perovskita y los puntos cuánticos tienen estructuras físicas distintas, y las similitudes entre estos materiales generalmente se han pasado por alto, ", dice." Este descubrimiento muestra lo que puede suceder cuando combinamos ideas de diferentes campos ".