Un equipo de investigadores del MIT y la Northwestern University ha demostrado la capacidad de ajustar las propiedades electrónicas de los materiales híbridos de perovskita. que han atraído un enorme interés como posibles materiales optoelectrónicos de próxima generación para dispositivos como células solares y fuentes de luz.

Los materiales se clasifican como "híbridos" porque contienen componentes inorgánicos como metales, así como moléculas orgánicas con elementos como carbono y nitrógeno, organizado en capas a nanoescala. En un artículo publicado en línea esta semana en Química de la naturaleza , los investigadores demostraron que al variar estratégicamente la composición de las capas orgánicas, podían sintonizar el color de la luz absorbida por la perovskita y también la longitud de onda a la que el material emitía luz. En tono rimbombante, lograron esto sin cambiar sustancialmente el componente inorgánico.

"Hasta ahora, La mayoría de la evidencia experimental y teórica indicó que las capas orgánicas simplemente actúan como espaciadores inertes cuya única función es separar las capas inorgánicas electrónicamente activas, "dice Will Tisdale, el profesor de desarrollo de carrera ARCO en estudios de energía en el MIT y coautor del artículo. "Estos nuevos resultados muestran que podemos enseñar a la capa orgánica a hacer mucho más".

"Nuestro laboratorio se ha interesado en el diseño de nuevos materiales híbridos que combinan componentes inorgánicos y orgánicos con el fin de crear propiedades sinérgicas, y esto es precisamente lo que hemos hecho en este trabajo sobre los excitantes materiales energéticos conocidos como perovskitas, "dice Samuel Stupp, Catedrático del Patronato de Química, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Medicamento, e Ingeniería Biomédica en Northwestern y coautor correspondiente del artículo.

Perovskitas, descubierto por primera vez como minerales naturales en los Urales hace casi 200 años, se han investigado enérgicamente en la última década después de que se determinó que podían convertir la luz en electricidad utilizable. Estos materiales se consideran una posible clave para un futuro energético sostenible porque son menos costosos de fabricar que las populares células solares basadas en silicio. y puede convertir la luz en electricidad casi con la misma eficacia.

Sin embargo, Las células solares de perovskita son mucho menos duraderas y estables en condiciones exteriores debido a su sensibilidad al calor y la humedad. Los científicos han descubierto recientemente que dividir la estructura tridimensional tradicional de las perovskitas en muchas capas delgadas, que van desde unos pocos átomos de espesor hasta docenas de átomos de espesor, mejora la estabilidad y el rendimiento.

En perovskitas en capas, la capa inorgánica absorbe la luz y produce las cargas que eventualmente se necesitan para producir energía eléctrica. Las capas orgánicas suelen ser aislantes y actúan como paredes gigantes que evitan que las cargas generadas por la luz se muevan fuera de la capa inorgánica.

"Esta colaboración ha sido emocionante porque los materiales que el grupo Stupp nos envió desde Northwestern estaban exactamente en línea con las preguntas que estábamos haciendo en el MIT, acerca de cómo los excitones en las capas inorgánicas de la perovskita podrían verse influenciados por las propiedades de las capas orgánicas, "dice Katie Mauck, un ex postdoctorado en el grupo Tisdale y ahora profesor asistente de química en Kenyon College. Junto con James Passarelli, un estudiante de posgrado en el grupo Stupp, ella es co-primera autora del artículo. "El enfoque modular de James para la síntesis de perovskita nos permitió ajustar de manera controlable la interacción entre estas capas y estudiar los efectos sobre la dinámica de los excitones en profundidad, mediante espectroscopía en el laboratorio de Tisdale ".

"Cuando la luz es absorbida por semiconductores como las perovskitas, los electrones con su carga negativa adquieren energía y se alejan, "Dice Stupp." Esto crea una fuerza atractiva con los sitios cargados positivamente que dejan atrás, ya que la materia quiere ser neutral. Pudimos controlar la magnitud de esta fuerza incorporando tipos específicos de moléculas dentro de las capas orgánicas, lo que a su vez modifica sus interesantes propiedades ".

La colaboración Northwestern-MIT comenzó después de un encuentro casual entre Mauck y un miembro del laboratorio Stupp en una conferencia científica en el verano de 2018. El laboratorio Stupp había realizado previamente un trabajo pionero en la síntesis de materiales híbridos inorgánicos-orgánicos para posibles aplicaciones en energía y medicina. mientras que el grupo Tisdale se especializa en el uso de láseres para probar las propiedades de los nanomateriales.

Estos intereses se superpusieron perfectamente para este proyecto, a medida que el grupo Stupp desarrolló las estructuras híbridas de perovskita y el grupo Tisdale realizó las medidas espectroscópicas precisas necesarias para confirmar las interacciones dentro de los sistemas.

En el futuro, la capacidad de ajustar las propiedades electrónicas de estos materiales podría aplicarse a varios sensores ópticos o electrónicos, incluidos sensores moleculares que aprovechan la presencia de capas orgánicas, así como a células solares y detectores de luz.

"Además de un camino hacia la mejora de los dispositivos optoelectrónicos, este trabajo subraya algunas de las ventajas únicas de los semiconductores a nanoescala, que son más sensibles a su entorno circundante que los materiales a granel, ", Dice Tisdale." Las lecciones que hemos aprendido en el contexto de las perovskitas en capas híbridas pueden extenderse a muchos otros materiales emergentes ".

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.