El sol entrega más energía a la Tierra en una hora de la que consume la humanidad durante todo un año. Los científicos de todo el mundo están buscando materiales que puedan capturar de manera rentable y eficiente esta energía libre de carbono y convertirla en electricidad.

Perovskitas, una clase de materiales con una estructura cristalina única, podría superar la tecnología actual para la captación de energía solar. Son más baratos que los materiales utilizados en las células solares actuales, y han demostrado propiedades fotovoltaicas notables, comportamiento que les permite convertir la luz solar en electricidad de manera muy eficiente.

Revelar la naturaleza de las perovskitas a escala atómica es fundamental para comprender sus prometedoras capacidades. Esta información puede ayudar a informar a los modelos para determinar la composición óptima de los materiales de perovskita para las células solares. que se puede utilizar para impulsar vehículos, dispositivos electrónicos e incluso calefacción doméstica y otros aparatos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) participaron en una colaboración dirigida por la Universidad de Duke, junto con el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE y otros colaboradores, para estudiar el funcionamiento interno de un material de perovskita utilizando las capacidades de dispersión de rayos X de clase mundial en Argonne y las capacidades de dispersión de neutrones en Oak Ridge. Las capacidades de dispersión permitieron a los científicos observar el comportamiento del material a escala atómica, y el estudio reveló que el movimiento similar a un líquido en las perovskitas puede explicar cómo producen corrientes eléctricas de manera eficiente.

"Hay mucho entusiasmo en torno a estos materiales, pero no entendemos del todo por qué son tan buenos fotovoltaicos, "dijo Olivier Delaire de la Universidad de Duke, científico principal del estudio.

Cuando la luz incide sobre un material fotovoltaico, excita electrones, incitándolos a salir de sus átomos y viajar a través del material, conducción de electricidad. Un problema común es que los electrones excitados pueden recombinarse con los átomos en lugar de viajar a través del material, lo que puede disminuir significativamente la electricidad producida en relación con la cantidad de luz solar que incide en el material.

"Las perovskitas evitan la recombinación, ", dijo Ray Osborn de Argonne. Queremos saber qué mecanismo causa esto y si podemos aprender de esto para crear mejores células solares".

El equipo estudió una de las perovskitas más simples:un compuesto de cesio, plomo y bromo (CsPbBr ₃ ) —Para averiguar qué está sucediendo a escala atómica.

Usando capacidades de dispersión de rayos X en la línea de luz del grupo de Materiales Magnéticos de Argonne (6-ID-D) en la Fuente de Fotones Avanzada del laboratorio, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, el equipo capturó las posiciones promedio de los átomos en un cristal de perovskita a diferentes temperaturas. Descubrieron que cada átomo de plomo y su jaula circundante de átomos de bromo forman unidades rígidas que se comportan como moléculas. Estas unidades oscilan, o se mueven hacia adelante y hacia atrás, de manera líquida.

"Las moléculas de este material giran alrededor de las otras moléculas como si estuvieran articuladas entre sí, y alrededor de las bisagras, las moléculas actúan como flácidas, "dijo Delaire.

Una teoría para explicar cómo las perovskitas resisten la recombinación es que estas distorsiones en la red, o estructura cristalina, siguen los electrones libres a medida que atraviesan el material. Los electrones pueden deformar la red, causando perturbaciones similares a líquidos, que luego les impiden volver a caer en sus átomos anfitriones. Esta teoría, que se ve reforzado por los nuevos resultados experimentales, puede proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo diseñar materiales de perovskita óptimos para células solares.

Los datos también indican que las moléculas en el material oscilan dentro de planos bidimensionales, sin movimiento en los aviones, similar a un paseo de carnaval que solo se balancea de izquierda a derecha, pero nunca de adelante hacia atrás. La naturaleza bidimensional de las distorsiones cristalinas podría ser una pieza más del rompecabezas para explicar cómo la perovskita puede prevenir la recombinación de electrones. contribuyendo a la eficiencia del material.

Según Osborn, los patrones bidimensionales en los datos de dispersión de rayos X nunca se habían visto. "Según estas mediciones inesperadas, Queríamos profundizar aún más no solo mirando las posiciones atómicas promedio, pero cómo se mueven los átomos en tiempo real, " él dijo.

Para investigar el movimiento de los átomos directamente, el equipo utilizó capacidades de dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Los investigadores de la división de Ciencia de Materiales de Argonne y la Universidad de Northwestern hicieron crecer Cristales de escala centimétrica necesarios para las mediciones de neutrones.

La dispersión de neutrones confirmó el patrón imprevisto observado en el experimento de dispersión de rayos X, pero mostró, además, que casi no se necesita energía para que las moléculas oscilen en dos dimensiones. Esto ayuda a explicar por qué los electrones excitados pueden deformar la red con tanta facilidad.

"Este trabajo es un hermoso ejemplo de la complementariedad de los neutrones y los rayos X al revelar tanto la estructura como la dinámica de materiales complejos, "dijo Osborn, que participó en ambos conjuntos de mediciones.

El estudio representa un paso para aprovechar al máximo la energía renovable del sol, en gran parte sin explotar, lo que podría tener un impacto significativo tanto en el medio ambiente como en la economía.