En células solares, aproximadamente dos tercios de la energía de la luz solar se pierden. La mitad de esta pérdida se debe a un proceso llamado "enfriamiento de portador caliente" en el que los fotones de alta energía pierden su exceso de energía en forma de calor antes de convertirse en electricidad. Los científicos de AMOLF han encontrado una forma de manipular la velocidad de este proceso en las perovskitas aplicando presión al material. Esto allana el camino para hacer que las perovskitas sean más versátiles, no solo para su uso en células solares, sino también en una variedad de otras aplicaciones, desde láseres hasta dispositivos termoeléctricos. Los investigadores publicarán su estudio en el Revista de letras de química física el 23 de abril.

Las perovskitas son un material prometedor para las células solares de la generación futura, porque están hechos de ingredientes baratos y es fácil cambiar su composición para adaptarse a necesidades específicas, como células solares en cualquier color deseado. Los investigadores del grupo de células solares híbridas de AMOLF intentan aumentar la eficiencia y la vida útil de los semiconductores de perovskita híbrida descubriendo las propiedades fundamentales de las perovskitas. Una de estas propiedades es la velocidad a la que se produce el llamado enfriamiento del portador caliente, lo cual también es relevante si las perovskitas se utilizan en otras aplicaciones.

Refrigeración de portador caliente

En células solares, la energía de la luz que coincide con la banda prohibida del semiconductor se convierte en electricidad directamente. Esta ruta directa no está disponible para fotones con mayor energía. Estos fotones generan los llamados portadores calientes:electrones (y huecos) de alta energía que deben enfriarse antes de que puedan recolectarse en forma de energía eléctrica. El enfriamiento de los portadores calientes se produce de forma espontánea:los portadores calientes pierden su exceso de energía en forma de calor mediante la dispersión hasta que coinciden con el nivel de energía de conducción del semiconductor. Tratando de comprender este proceso en perovskitas, Doctor. La estudiante Loreta Muscarella encuentra varias dificultades, uno de ellos es la escala de tiempo. Ella dice, "El enfriamiento del portador caliente ocurre muy rápido, normalmente en una escala de tiempo de femtosegundos a picosegundos, lo que dificulta manipular o incluso investigar el proceso. Tenemos la suerte de tener una configuración única con un espectrómetro de absorción transitoria (TAS) en combinación con equipos a presión en nuestro grupo. Esto nos permite medir las propiedades electrónicas de la perovskita bajo estrés externo unos pocos femtosegundos después de iluminar el material ".

Manipular con presión

Ya se sabía que, bajo abundante iluminación, el enfriamiento del portador caliente en los semiconductores de perovskita es mucho más lento que en los semiconductores de silicio. Esto hace que la investigación del proceso sea mucho más factible en perovskita que en silicio. Muscarella y sus colegas asumieron que la velocidad del proceso de enfriamiento podría depender de la presión. "Los portadores calientes pierden su exceso de energía a través de la vibración y la dispersión. La aplicación de presión aumenta las vibraciones dentro del material, y, por lo tanto, debe aumentar la velocidad de enfriamiento del portador caliente, ", dice." Decidimos probar esta suposición y descubrimos que de hecho podemos manipular el tiempo de enfriamiento con presión. A 3000 veces la presión ambiente, el proceso es dos o tres veces más rápido ".

Una celda solar no podría funcionar a presiones tan altas, pero se puede obtener un efecto similar con tensión interna. Muscarella:"Hicimos nuestros experimentos con presión externa, pero en las perovskitas es posible inducir una tensión interna alterando químicamente el material o su crecimiento, como hemos demostrado anteriormente en nuestro grupo ".

Velocidad de enfriamiento para diferentes aplicaciones

Ser capaz de controlar la velocidad de enfriamiento del portador caliente permite otras aplicaciones de perovskitas además de las células solares. "La posibilidad de diseñar perovskitas para colores específicos no solo las hace muy interesantes para las células solares coloreadas, pero también para láseres o tecnología LED. En tales aplicaciones, el enfriamiento rápido de los portadores calientes es esencial, al igual que en las células solares convencionales. El enfriamiento lento, por otro lado, haría que las perovskitas fueran adecuadas para dispositivos termoeléctricos que convierten una diferencia de temperatura en electricidad. Entonces, la posibilidad de ajustar la velocidad de enfriamiento del portador caliente permite una amplia gama de dispositivos que podrían fabricarse con perovskitas, ", dice Muscarella. Incluso prevé aplicar una presión negativa sobre el material para hacer que el proceso de enfriamiento del portador caliente sea aún más lento para un tipo específico de celda solar.

"Dado que la disipación de calor representa casi el treinta por ciento de la pérdida de eficiencia en las células solares, los científicos están buscando formas de recolectar los transportadores calientes antes de que se hayan enfriado. En la actualidad, incluso el enfriamiento "lento" de las perovskitas a presión ambiental es todavía demasiado rápido para las llamadas células solares portadoras de calor. Ahora, estos portadores calientes pierden su exceso de energía en forma de calor en picosegundos. Sin embargo, si pudiéramos inducir una deformación negativa, sería posible hacer que el proceso fuera lo suficientemente lento como para aplicarlo en un dispositivo en funcionamiento ".