Entre los materiales conocidos como perovskitas, uno de los más emocionantes es un material que puede convertir la luz solar en electricidad con tanta eficiencia como las células solares de silicio comerciales de hoy en día y tiene el potencial de ser mucho más barato y más fácil de fabricar.

Solo hay un problema:de las cuatro configuraciones atómicas posibles, o fases, este material puede llevar, tres son eficientes pero inestables a temperatura ambiente y en entornos normales, y rápidamente vuelven a la cuarta fase, que es completamente inútil para aplicaciones solares.

Ahora, los científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han encontrado una solución novedosa:simplemente coloque la versión inútil del material en una celda de yunque de diamante y apriétela a alta temperatura. Este tratamiento empuja su estructura atómica a una configuración eficiente y la mantiene así, incluso a temperatura ambiente y en aire relativamente húmedo.

Los investigadores describieron sus resultados en Comunicaciones de la naturaleza .

"Este es el primer estudio que utiliza la presión para controlar esta estabilidad, y realmente abre muchas posibilidades, "dijo Yu Lin, un científico e investigador del personal de SLAC del Instituto de Stanford para las Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES).

"Ahora que hemos encontrado esta forma óptima de preparar el material, " ella dijo, "existe la posibilidad de ampliarlo para la producción industrial, y por usar este mismo enfoque para manipular otras fases de perovskita ".

Una búsqueda de estabilidad

Las perovskitas reciben su nombre de un mineral natural con la misma estructura atómica. En este caso, los científicos estudiaron una perovskita de haluro de plomo que es una combinación de yodo, plomo y cesio.

Una fase de este material, conocida como la fase amarilla, no tiene una verdadera estructura de perovskita y no se puede utilizar en células solares. Sin embargo, Los científicos descubrieron hace un tiempo que si lo procesas de ciertas formas, cambia a una fase de perovskita negra que es extremadamente eficiente para convertir la luz solar en electricidad. "Esto lo ha hecho muy buscado y ha sido el foco de muchas investigaciones, ", dijo la profesora de Stanford y coautora del estudio, Wendy Mao.

Desafortunadamente, estas fases negras también son estructuralmente inestables y tienden a volver a caer rápidamente en la configuración inútil. Más, solo operan con alta eficiencia a altas temperaturas, Mao dijo, y los investigadores deberán superar ambos problemas antes de que puedan utilizarse en dispositivos prácticos.

Ha habido intentos previos de estabilizar las fases negras con química, tensión o temperatura, pero solo en un entorno libre de humedad que no refleja las condiciones del mundo real en las que operan las células solares. Este estudio combinó la presión y la temperatura en un entorno de trabajo más realista.

La presión y el calor hacen el truco

Trabajando con colegas en los grupos de investigación de Stanford de Mao y la profesora Hemamala Karunadasa, Lin y el investigador postdoctoral Feng Ke diseñaron una configuración en la que se apretaban cristales de fase amarilla entre las puntas de los diamantes en lo que se conoce como una celda de yunque de diamante. Con la presión aún encendida los cristales se calentaron a 450 grados Celsius y luego se enfriaron.

Bajo la combinación correcta de presión y temperatura, los cristales cambiaron de amarillo a negro y permanecieron en la fase negra después de que se liberó la presión, dijeron los científicos. Fueron resistentes al deterioro por el aire húmedo y permanecieron estables y eficientes a temperatura ambiente durante 10 a 30 días o más.

El examen con rayos X y otras técnicas confirmó el cambio en la estructura cristalina del material, y los cálculos de los teóricos de SIMES, Chunjing Jia y Thomas Devereaux, proporcionaron una idea de cómo la presión cambió la estructura y preservó la fase negra.

La presión necesaria para volver los cristales negros y mantenerlos así fue aproximadamente 1, 000 a 6, 000 veces la presión atmosférica, Lin dijo:alrededor de una décima parte de las presiones que se utilizan habitualmente en la industria de los diamantes sintéticos. Por lo tanto, uno de los objetivos para futuras investigaciones será transferir lo que los investigadores han aprendido de sus experimentos con células de yunque de diamante a la industria y ampliar el proceso para llevarlo al ámbito de la fabricación.