Un esquema de la configuración experimental utilizada para investigar la formación estructural de películas delgadas de perovskitas durante el recubrimiento por rotación. Crédito:G. Portale, Universidad de Groningen
Las perovskitas a base de plomo son materiales muy prometedores para la producción de paneles solares. Convierten eficientemente la luz en electricidad pero también presentan algunos inconvenientes importantes:los materiales más eficientes no son muy estables, mientras que el plomo es un elemento tóxico. Los científicos de la Universidad de Groningen están estudiando alternativas a las perovskitas basadas en plomo. Dos factores que afectan significativamente la eficiencia de estas células solares son la capacidad de formar películas delgadas y la estructura de los materiales en las células solares. Por lo tanto, Es muy importante investigar in situ cómo se forman los cristales de perovskita sin plomo y cómo la estructura cristalina afecta el funcionamiento de las células solares. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Materiales funcionales avanzados el 31 de marzo.
Las células fotovoltaicas basadas en perovskitas híbridas se introdujeron por primera vez en 2009 y rápidamente se volvieron casi tan eficientes como las células solares de silicio estándar. Estos materiales tienen una estructura cristalina muy distintiva, conocida como estructura de perovskita. En una celda unitaria cúbica idealizada, los aniones forman un octaedro alrededor de un catión central, mientras que las esquinas del cubo están ocupadas por otros, cationes más grandes. Se pueden usar diferentes iones para crear diferentes perovskitas.
Recubrimiento por centrifugación
Los mejores resultados en células solares se han obtenido utilizando perovskitas con plomo como catión central. Como este metal es tóxico, se han desarrollado alternativas a base de estaño, por ejemplo, yoduro de estaño formamidinio (FASnI 3 ). Este es un material prometedor; sin embargo, carece de la estabilidad de algunos de los materiales a base de plomo. Se ha intentado mezclar el FASnI 3-D 3 cristales con materiales en capas, que contiene el catión orgánico feniletilamonio (PEA). "Mi colega, Profesora Maria Loi, y su equipo de investigación demostró que agregar una pequeña cantidad de este PEA produce un material más estable y eficiente, "dice el profesor adjunto Giuseppe Portale." Sin embargo, agregar mucho reduce la eficiencia fotovoltaica ".
Ahí es donde entra Portale. Las perovskitas han sido estudiadas durante mucho tiempo por la profesora de Fotofísica y Optoelectrónica Maria Loi, mientras que Portale desarrolló una técnica de difracción de rayos X que le permite estudiar la formación rápida de películas delgadas en tiempo real durante el recubrimiento por rotación a partir de la solución. A escala de laboratorio, las películas de perovskita se fabrican generalmente mediante revestimiento por rotación, un proceso en el que se entrega una solución precursora sobre un sustrato de hilado rápido. Los cristales crecen a medida que se evapora el disolvente. En la línea de luz BM26B-DUBBLE en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia, Portale investigó lo que sucede durante la formación de la película de estaño-perovskita.
El esquema del mecanismo de cristalización de la solución DMF / DMSO durante el secado de las películas de perovskita 2D / 3D. Crédito:G. Portale, Universidad de Groningen
Interfaz
"Nuestra idea inicial, que se basó en investigaciones ex situ, fue que los cristales orientados crecen desde la superficie del sustrato hacia arriba, "Explica Portale. Sin embargo, los resultados in situ mostraron lo contrario:los cristales comienzan a crecer en la interfaz aire / solución. Durante sus experimentos, usó FASnI 3-D 3 con la adición de diferentes cantidades de PEASnI 2-D 4 . En la perovskita pura 3-D, empezaron a formarse cristales en la superficie, pero también en la mayor parte de la solución. Sin embargo, la adición de una pequeña cantidad del material 2-D suprimió la cristalización en masa y los cristales solo crecieron desde la interfaz.
"Las moléculas de PEA juegan un papel activo en la solución precursora de las perovskitas, estabilizar el crecimiento de cristales orientados similares a 3-D mediante la coordinación en los bordes del cristal. Es más, Las moléculas de PEA previenen la nucleación en la fase de volumen, por lo que el crecimiento de cristales solo tiene lugar en la interfaz aire / disolvente, "Portale explica. Las películas resultantes están compuestas de cristales de perovskita similares a 3-D alineados y una cantidad mínima de perovskita similar a 2-D, ubicado en la parte inferior de la película. La adición de bajas concentraciones del material 2-D produce un material fotovoltaico estable y eficiente, mientras que la eficiencia cae drásticamente a altas concentraciones de este material 2-D.
Aislante
Los experimentos de Portale y Loi pueden explicar esta observación:"La perovskita similar a 2-D se encuentra en la interfaz sustrato / película. Aumentar el contenido del material 2-D por encima de una cierta cantidad provoca la formación de un 2- Capa orgánica tipo D que actúa como aislante, con efecto perjudicial para la eficiencia del dispositivo. "La conclusión del estudio es que la formación de esta capa aislante debe evitarse para lograr una perovskita a base de estaño altamente eficiente y estable". El siguiente paso es darse cuenta de esto, por ejemplo jugando con disolventes, temperatura o interacciones específicas de perovskita / sustrato que pueden romper la formación de esta gruesa capa aislante ".
