Un equipo de investigadores dirigido por el profesor Yabing Qi en la Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de Superficies en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón ha obtenido imágenes de los átomos en la superficie de la capa absorbente de luz en un nuevo tipo de células solares de próxima generación, hecho de un material de cristal llamado perovskita de haluro de metal.

Sus hallazgos, reportado en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente , han resuelto un antiguo misterio en el campo de la tecnología de energía solar, mostrando cómo el cloro que aumenta la potencia y mejora la estabilidad se incorpora al material de perovskita.

En un mundo ahora impulsado por la necesidad de limpieza, energía verde, La energía solar es una vía vital para salir de la crisis climática. Y las perovskitas de haluro de metal son el material prometedor que muchos investigadores esperan que algún día eclipsen o complementen las células solares de silicio que actualmente dominan el mercado.

"Las perovskitas tienen el potencial de ser más baratas, más eficiente y más versátil que el silicio, "dijo el primer autor, el Dr. Afshan Jamshaid, un ex Ph.D. estudiante de la Unidad de Ciencias de Materiales y Superficies Energéticos del OIST.

Pero actualmente Las células solares de perovskita sufren problemas de eficiencia, escalamiento y estabilidad, impidiéndoles la comercialización. Altas temperaturas, la humedad y la luz ultravioleta pueden degradar el material de perovskita, reduciendo qué tan bien puede convertir la energía luminosa en energía, El Dr. Jamshaid explicó.

Durante la ultima decada, los investigadores se han centrado intensamente en abordar estos problemas. Una forma de mejorar las células solares de perovskita ha sido mediante el uso de dopantes, pequeñas trazas de otro químico que se agregan durante el proceso de fabricación de la capa de cristal de perovskita. Los dopantes cambian las propiedades físicas y químicas del material, Impulsando la estabilidad y eficiencia del dispositivo solar.

Uno de esos dopantes es el cloro, que se ha demostrado que aumenta la vida útil de las células solares de perovskita y mejora su eficiencia de conversión de energía. Pero hasta ahora cómo funcionaba este dopante era un enigma.

"La comunidad de investigadores no tenía idea de por qué estaban viendo estas mejoras. Una vez agregadas, los investigadores no pudieron rastrear el cloro, no pudieron decir si el cloro se incorporó profundamente en el material de perovskita, permaneció en la superficie o incluso dejó el material durante el proceso de fabricación, "dijo el Dr. Jamshaid." Alrededor del 50% de la comunidad creía que el cloro estaba presente, pero el otro 50% de la comunidad no lo hizo ".

En el estudio, el grupo de investigación finalmente resolvió el debate creando películas delgadas de perovskita de haluro metálico, yoduro de metilamonio y plomo, que fueron dopados con cloro. Utilizaron microscopía de túnel de barrido de última generación para obtener imágenes de la superficie de la capa de perovskita.

"Fue solo al acercarnos al nivel atómico que finalmente pudimos detectar que el cloro realmente estaba allí, solo a una concentración muy baja, "dijo el Dr. Jamshaid.

El equipo descubrió que había depresiones oscuras en la superficie que no se veían en las películas de perovskita de yoduro de plomo de metilamonio puro.

A través de cálculos teóricos realizados por los colaboradores, el profesor Wanjian Yin y el Dr. Zhendong Guo en la Universidad de Soochow en China, los investigadores concluyeron que estas depresiones oscuras significan donde el cloro, que es de menor tamaño, ha reemplazado el yodo débilmente unido dentro de la estructura cristalina de perovskita.

El grupo de investigación también notó que más de estas hendiduras oscuras ocurrieron alrededor de los límites de los granos en la película de perovskita.

La capa de perovskita no es una red cristalina uniforme, sino que se compone de muchos granos de cristal diferentes. Es debido a estas grietas entre granos, llamados límites de grano, que la perovskita es intrínsecamente tan inestable.

"La mayor parte de la degradación de la luz ultravioleta, la temperatura o la humedad se produce en estos límites de grano, como los iones aquí están mucho más unidos, "dijo el Dr. Jamshaid.

El equipo sospecha que la mayor presencia de cloro alrededor de estos límites de grano puede explicar la estabilidad y eficiencia adicionales del material. reduciendo el número de defectos en la superficie.

En tono rimbombante, Los investigadores encontraron que cuando variaban la concentración de cloro dentro de la película de perovskita alterando el tiempo que el cloro estaba depositado, la estructura de la superficie y las propiedades electrónicas del material también cambiaron.

En el menor tiempo de deposición, el equipo no pudo detectar cloro en la superficie del material de perovskita. Y en el tiempo de deposición más largo, el cloro formó una capa adicional de iones sobre la perovskita que cambió drásticamente las propiedades electrónicas.

Los investigadores pudieron calcular un tiempo de deposición intermedio que alcanzó el punto óptimo, entregando una concentración óptima de cloro, alrededor del 14,8%, en la superficie. Esta concentración dio al material de perovskita una alta estabilidad.

El siguiente paso del equipo de investigación es fabricar una célula solar completa que contenga una capa de perovskita dopada con esta concentración óptima de cloro.

"Es por eso que los estudios fundamentales como estos son tan importantes:ayudan a los ingenieros de dispositivos a determinar el proceso de fabricación más óptimo sin tanta prueba y error, ", dijo el Dr. Jamshaid." Al comprender cómo los dopantes mejoran el material, también puede guiarnos hacia nuevas mezclas químicas que podrían funcionar incluso mejor ".