Las células solares de perovskita han sido objeto de muchas investigaciones como la próxima generación de dispositivos fotovoltaicos. Sin embargo, quedan muchos desafíos por superar para la aplicación práctica. Uno de ellos se refiere a la capa de transporte de huecos (semiconductor tipo p) en las células fotovoltaicas que transporta los huecos generados por la luz al electrodo.

En los semiconductores de transporte orgánicos de tipo p convencionales, los dopantes de huecos son químicamente reactivos y degradan el dispositivo fotovoltaico. Los semiconductores de tipo p inorgánicos, que son químicamente estables, son alternativas prometedoras, pero la fabricación de semiconductores de tipo p inorgánicos convencionales requiere un tratamiento a alta temperatura. En este sentido, se deseaban los semiconductores inorgánicos de tipo p que se pueden fabricar a bajas temperaturas y tienen una excelente capacidad de transporte de huecos.

El semiconductor inorgánico de yoduro de cobre tipo p (CuI) es un candidato líder para tales materiales de transporte de agujeros en aplicaciones de dispositivos fotovoltaicos. En este material, los defectos nativos dan lugar a desequilibrios de carga y portadores de carga gratuitos. Sin embargo, el número total de defectos suele ser demasiado bajo para un rendimiento satisfactorio del dispositivo.

Agregar impurezas con propiedades aceptoras (cargadas positivamente) o donantes (cargadas negativamente), conocidas como "dopaje de impurezas", es el método estándar de oro para reforzar las propiedades de transporte de los semiconductores y el rendimiento del dispositivo. En los métodos convencionales, se han utilizado como tales impurezas iones con una valencia inferior a la de los átomos constituyentes. Sin embargo, en los semiconductores basados ​​en Cu(I), no hay ningún ion con una valencia inferior a la de los iones de cobre monovalentes (valencia cero), por lo que no se ha establecido un dopaje de tipo p en los compuestos de cobre.

Para proponer un nuevo diseño de dopaje de portadores para el dopaje de tipo p en CuI, investigadores de Japón y EE. UU. se centraron recientemente en el efecto de impureza alcalina, que se ha utilizado empíricamente para el dopaje de huecos en semiconductores monovalentes de cobre, óxido de cobre (Cu₂ O) y Cu(In,Ga)Se₂ .

En un enfoque novedoso descrito en un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society , el equipo, dirigido por el Dr. Kosuke Matsuzaki del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, demostró experimentalmente que el dopaje de tipo p con impurezas de iones alcalinos, que tiene la misma valencia que el cobre pero de mayor tamaño, puede mejorar la conductividad en Cu Semiconductores basados ​​en (I). Los análisis teóricos muestran que los defectos complejos, que están compuestos por impurezas de iones alcalinos y vacantes de iones de cobre, son el origen de la generación de huecos (conductividad tipo p).

Si bien se sabe que las impurezas de metales alcalinos aumentan la concentración de portadores en el óxido de cobre, el mecanismo subyacente seguía siendo un misterio para los científicos, hasta ahora. Este mecanismo ahora ha sido dilucidado, como explica el Dr. Matsuzaki, "Usando una combinación de estudios experimentales y análisis teóricos, logramos descubrir el efecto de las impurezas alcalinas en semiconductores basados ​​en Cu (I). La impureza de metal alcalino Na interactúa con iones Cu vecinos en Cu₂ O para formar complejos de defectos. Los complejos, a su vez, conducen a ser una fuente de agujeros".

A medida que se agrega una impureza a la estructura cristalina, la repulsión electrostática de Coulomb entre la impureza y los iones de Cu vecinos empuja a los átomos de Cu de sus posiciones en la estructura y conduce a la formación de múltiples vacantes de cobre de tipo aceptor. Esto, a su vez, aumenta la concentración total de portadores de tipo p y, en consecuencia, la conductividad de tipo p. "Nuestras simulaciones muestran que es fundamental que la impureza sea un poco más grande para que los espacios vacíos en la red cristalina invoquen la repulsión electrostática. Para las impurezas alcalinas más pequeñas, por ejemplo, el litio, los iones de la impureza caen en los sitios intersticiales y no deforman lo suficiente el cristal. celosía", elabora el Dr. Matsuzaki.

Basándose en el mecanismo de dopaje de tipo p para formar un complejo de defecto de vacancia de Cu de tipo aceptor, el equipo investigó iones alcalinos más grandes, como el potasio, el rubidio y el cesio (Cs), como impurezas aceptoras en γ-CuI. Entre ellos, los iones Cs podrían unir aún más vacantes de Cu, lo que conduciría a una concentración aún mayor de portadores de carga estables (10 ¹³ —10 ¹⁹ cm ^-3 ) tanto en monocristales como en películas delgadas preparadas a partir de la solución.

"Esto sugiere que el método se puede utilizar para ajustar las concentraciones de portadores en el procesamiento a baja temperatura para aplicaciones y dispositivos específicos. Esto permitiría una gama completamente nueva de aplicaciones para estos materiales de tipo p", concluye Matsuzaki.

De hecho, el desarrollo podría ser un gran avance para los semiconductores basados ​​en cobre (I) y pronto podría conducir a sus aplicaciones prácticas en células solares y dispositivos optoelectrónicos. + Explora más

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