Las células solares producidas a partir de una combinación de silicio y perovskita, especialmente la variante con haluros mixtos como yodo y bromo, pueden ser más eficientes y económicas que las células solares de silicio tradicionales porque convierten una mayor proporción de la luz solar en electricidad. Sin embargo, las perovskitas se degradan bajo la influencia de la luz, por lo que todavía no se pueden utilizar para aplicaciones comerciales. La sustitución del catión (ión con carga positiva) en la estructura mejora la estabilidad del material. Los investigadores de AMOLF ahora han revelado que esta mejora surge de la compresión de la estructura, comparable a aplicar una presión considerable sobre él. Han publicado sus resultados en Informes celulares Ciencias físicas .

Intuición química

Una perovskita consiste en un ión de plomo rodeado por iones de haluro como iones de yodo y bromo. Esto forma una estructura tridimensional con jaulas que están llenas de un catión como el metilamonio. El problema es que si la estructura está iluminada, surgen áreas separadas en el material donde se encuentran principalmente iones de yodo o principalmente iones de bromo. Entonces se pierde la ventaja de la mezcla de yodo-bromo en las perovskitas:una gran parte del espectro de luz se convierte en calor en lugar de electricidad.

Eline Hutter, químico de formación y hasta este año investigador en AMOLF, pensó que la separación espontánea de los haluros podría evitarse sometiendo el material a alta presión. "En el momento, No sabía exactamente por qué. Lo llamé intuición química ".

Experimentos desafiantes

El grupo de células solares híbridas de AMOLF desarrolló previamente una configuración que fue muy útil en este caso:un espectrómetro de absorción transitoria (TAS) que puede medir las propiedades electrónicas de las perovskitas a muy alta presión. "No hay otra configuración comparable que combine TAS con una celda de presión en el mundo, ", dice el líder del grupo Bruno Ehrler." Pero al principio era escéptico sobre la idea de Eline, en parte porque los experimentos que tendríamos que hacer parecían demasiado desafiantes ".

Junto a su colega Loreta Muscarella, Eline Hutter usó esta configuración para medir lo que sucede después de que el material ha sido iluminado. "Si no hay presión sobre el material, observamos una separación de bromo y yodo. Bajo 3000 bar de presión, vemos que la separación ya no se produce ".

Solución práctica

Este resultado confirmó la hipótesis de Hutter de que el volumen libre en el material, y en consecuencia la presión, juega un papel crucial en la separación de los halogenuros. No es práctico producir una celda solar que esté bajo una presión tan alta. Sin embargo, hay una solución práctica, explica Hutter. "Si reemplazamos el catión en las jaulas de la perovskita con un catión más pequeño como el cesio, tiene lugar una denominada contracción química. Toda la estructura se encoge, como la tierra que se seca y se contrae. El efecto es exactamente el mismo que someter el material a alta presión ".

Hutter y sus colegas utilizaron posteriormente el TAS para demostrar que en esta perovskita comprimida químicamente, ya no se produjo la separación de yodo y bromo. Con este, demostraron que un aspecto olvidado de la teoría es importante:el volumen del material fue previamente excluido de los cálculos, dice Hutter. "En mi opinión, lo que hace que esta investigación sea tan interesante es el vínculo entre la presión externa e interna ".

Este es un descubrimiento vital para estabilizar las perovskitas, dice Ehrler. "La atención se ha centrado principalmente en la cinética:retrasar el movimiento de los iones para ralentizar la separación. Ahora hemos demostrado que aumentar la presión, cambia la termodinámica:los iones se mueven con la misma rapidez, pero la separación de yodo y bromo ya no es energéticamente favorable. Para que la segregación ya no ocurra ".