La gente puede ser buena para ocultar la tensión y no estamos solos. Las células solares tienen el mismo talento. Para una celda solar, La tensión física dentro de su estructura cristalina microscópica puede interrumpir su función central —convertir la luz solar en electricidad— esencialmente "perdiendo" energía en forma de calor. Para un tipo emergente de celda solar, conocidas como perovskitas de haluro de plomo, Reducir y domesticar esta pérdida es clave para mejorar la eficiencia y poner las perovskitas a la par con las células solares de silicio actuales.

Para comprender dónde se acumula la tensión dentro de una célula solar y desencadena la pérdida de energía, los científicos deben visualizar la estructura de grano subyacente de los cristales de perovskita dentro de la célula solar. Pero el mejor enfoque implica bombardear la célula solar con electrones de alta energía, que esencialmente quema la célula solar y la vuelve inútil.

Investigadores de la Universidad de Washington y el Instituto FOM de Física Atómica y Molecular en los Países Bajos han desarrollado una forma de iluminar la tensión en las células solares de perovskita de haluro de plomo sin dañarlas. Su enfoque publicado en línea el 10 de septiembre en Joule , logró obtener imágenes de la estructura del grano de una célula solar de perovskita, mostrando que la mala orientación entre cristales microscópicos de perovskita es el principal contribuyente a la acumulación de tensión dentro de la célula solar. La desorientación del cristal crea defectos a pequeña escala en la estructura del grano, que interrumpen el transporte de electrones dentro de la célula solar y conducen a la pérdida de calor a través de un proceso conocido como recombinación no radiativa.

"Al combinar nuestras imágenes ópticas con el nuevo detector de electrones desarrollado en FOM, De hecho, podemos ver cómo los cristales individuales se orientan y se unen dentro de una célula solar de perovskita, "dijo el autor principal David Ginger, profesor de química de la Universidad de Washington y científico jefe del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington. "Podemos demostrar que la tensión se acumula debido a la orientación del grano, que es información que los investigadores pueden utilizar para mejorar la síntesis de perovskita y los procesos de fabricación para obtener mejores células solares con un esfuerzo mínimo y, por lo tanto, una pérdida de calor mínima debido a la recombinación no radiativa ".

Las perovskitas de haluro de plomo son baratas, compuestos cristalinos imprimibles que prometen ser de bajo costo, alternativas adaptables y eficientes a las células solares de silicio o arseniuro de galio que se utilizan ampliamente en la actualidad. Pero incluso las mejores células solares de perovskita pierden algo de electricidad en forma de calor en lugares microscópicos esparcidos por la célula. que amortigua la eficiencia.

Los científicos han utilizado durante mucho tiempo la microscopía de fluorescencia para identificar las ubicaciones en la superficie de las células solares de perovskita que reducen la eficiencia. Pero para identificar las ubicaciones de los defectos que causan la pérdida de calor, los investigadores necesitan obtener imágenes de la verdadera estructura de grano de la película, según el primer autor Sarthak Jariwala, un estudiante de doctorado de la UW en ciencia e ingeniería de materiales y un becario de posgrado del Clean Energy Institute.

"Históricamente, obtener imágenes de la estructura de grano real subyacente de la célula solar no ha sido posible sin dañar la célula solar, "dijo Jariwala.

Los enfoques típicos para ver la estructura interna utilizan una forma de microscopía electrónica llamada difracción por retrodispersión de electrones, que normalmente quemaría la célula solar. Pero los científicos del Instituto FOM de Física Atómica y Molecular, dirigido por los coautores Erik Garnett y Bruno Ehrler, desarrolló un detector mejorado que puede capturar imágenes de difracción por retrodispersión de electrones en tiempos de exposición más bajos, preservando la estructura de la célula solar.

Las imágenes de las células solares de perovskita del laboratorio de Ginger revelan una estructura de grano que se asemeja al lecho de un lago seco, con "grietas" que representan los límites entre miles de granos de perovskita individuales. Usando estos datos de imágenes, los investigadores pudieron por primera vez mapear la orientación tridimensional de los cristales dentro de una célula solar de perovskita en funcionamiento. También podrían determinar dónde la desalineación entre los cristales crea tensión.

Cuando los investigadores superpusieron imágenes de la estructura del grano de la perovskita con centros de recombinación no radiativa, que Jariwala tomó imágenes usando microscopía de fluorescencia, descubrieron que la recombinación no radiativa también podría ocurrir fuera de los límites visibles.

"Creemos que la deformación deforma localmente la estructura de la perovskita y causa defectos, ", dijo Ginger." Estos defectos pueden interrumpir el transporte de corriente eléctrica dentro de la célula solar, causando recombinación no radiativa, incluso en otras partes de la superficie ".

Si bien el equipo de Ginger ha desarrollado previamente métodos para "curar" algunos de estos defectos que sirven como centros de recombinación no radiativa en las células solares de perovskita, idealmente, a los investigadores les gustaría desarrollar métodos de síntesis de perovskita que reduzcan o eliminen por completo la recombinación no radiativa.

"Ahora podemos explorar estrategias como controlar el tamaño del grano y la orientación de la propagación durante el proceso de síntesis de perovskita, ", dijo Ginger." Esas podrían ser rutas para reducir la desorientación y la tensión, y para evitar que se formen defectos en primer lugar ".