Los diseñadores de células solares saben que sus creaciones deben lidiar con una amplia gama de temperaturas y todo tipo de condiciones climáticas, condiciones que pueden afectar su eficiencia y vida útil.

La profesora asistente de química y bioquímica de la Universidad Estatal de Florida, Lea Nienhaus, y la ex investigadora postdoctoral de la FSU, Sarah Wieghold, están ayudando a comprender los procesos fundamentales en un material conocido como perovskitas. trabajo que podría conducir a células solares más eficientes que también hagan un mejor trabajo para resistir la degradación. Descubrieron que pequeños ajustes en la composición química de los materiales, así como en la magnitud del campo eléctrico al que están expuestos, pueden afectar en gran medida la estabilidad general del material.

Su último trabajo se publica en un par de estudios en Revista de Química de Materiales C y Revista de Física Aplicada.

Su investigación se centra en mejorar el potencial de las perovskitas, un material con una estructura cristalina basada en iones de plomo cargados positivamente conocidos como cationes y aniones haluro cargados negativamente. En una estructura cristalina cúbica de perovskita, los octaedros formados por los iones de plomo y haluro están rodeados por cationes adicionales cargados positivamente.

Las primeras células solares de perovskita, que se desarrollaron en 2006, tenía una eficiencia de conversión de energía de energía solar de aproximadamente el 3 por ciento, pero las celdas desarrolladas en 2020 tienen una eficiencia de conversión de energía de más del 25 por ciento. Ese rápido aumento de la eficiencia los convierte en un material prometedor para futuras investigaciones, pero tienen inconvenientes para la viabilidad comercial, como una tendencia a degradarse rápidamente.

"¿Cómo podemos hacer que las perovskitas sean más estables en las condiciones del mundo real en las que se utilizarán?" Dijo Nienhaus. "¿Qué está causando la degradación? Eso es lo que estamos tratando de entender. Las perovskitas que no se degradan rápidamente podrían ser una herramienta valiosa para obtener más energía de las células solares".

Las perovskitas son los llamados "materiales blandos, "a pesar de los enlaces iónicos de la red cristalina que forman su estructura. Los haluros o cationes en el material pueden moverse a través de esa red, que pueden aumentar su tasa de degradación, resultando en una falta de estabilidad a largo plazo.

En el Revista de Química de Materiales C papel, Los investigadores investigaron la influencia combinada de la luz y la temperatura elevada en el rendimiento de las perovskitas de haluro mixto de cationes mixtos.

Descubrieron que agregar una pequeña cantidad del elemento cesio a la película de perovskita aumenta la estabilidad del material bajo temperaturas elevadas y ligeras. Añadiendo rubidio, por otra parte, condujo a un peor rendimiento.

"Descubrimos que, según la elección del catión, Se pueden observar dos vías de degradación en estos materiales, que luego correlacionamos con una disminución en el rendimiento, "dijo Wieghold, ahora es un científico asistente en el Centro de Materiales a Nanoescala y la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional de Argonne. "También demostramos que la adición de cesio aumentó la estabilidad de la película en nuestras condiciones de prueba, que son resultados muy prometedores ".

También encontraron que una disminución en el rendimiento de la película para las mezclas de perovskita menos estables se correlacionó con la formación del compuesto bromuro de plomo / yoduro y un aumento en las interacciones electrón-fonón. La formación de bromuro / yoduro de plomo se debe al mecanismo de degradación no deseado, que debe evitarse para lograr la estabilidad y el rendimiento a largo plazo de estas células solares de perovskita.

En el artículo del Journal of Applied Physics, exploraron el vínculo entre el voltaje y el rendimiento de los materiales de perovskita. Esto mostró que el movimiento de iones en el material cambia la respuesta eléctrica subyacente, que será un factor crítico en el rendimiento fotovoltaico.

"Las perovskitas presentan una gran oportunidad para el futuro de las células solares, y es emocionante ayudar a que esta ciencia avance, "Dijo Nienhaus.