En la ultima década, perovskitas, una gama diversa de materiales con una estructura cristalina específica, han surgido como alternativas prometedoras a las células solares de silicio. ya que son más baratos y ecológicos de fabricar, logrando al mismo tiempo un nivel comparable de eficiencia.

Sin embargo, las perovskitas todavía muestran pérdidas de rendimiento e inestabilidades significativas, particularmente en los materiales específicos que prometen la máxima eficiencia. La mayoría de las investigaciones hasta la fecha se han centrado en formas de eliminar estas pérdidas, pero sus causas físicas reales siguen siendo desconocidas.

Ahora, en un artículo publicado hoy en Naturaleza , investigadores del grupo del Dr. Sam Stranks en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la Universidad de Cambridge y el Laboratorio Cavendish, y la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del Profesor Keshav Dani en OIST en Japón, identificar la fuente del problema. Su descubrimiento podría agilizar los esfuerzos para aumentar la eficiencia de las perovskitas, acercándolos a la producción de mercado masivo.

Los materiales de perovskita son mucho más tolerantes a los defectos en su estructura que las células solares de silicio, e investigaciones previas llevadas a cabo por el grupo de Stranks encontraron que, hasta cierto punto, alguna heterogeneidad en su composición mejora realmente su desempeño como células solares y emisores de luz.

Sin embargo, la limitación actual de los materiales de perovskita es la presencia de una "trampa profunda" causada por un cierto tipo de defecto, o defecto menor, en el material. Estas son áreas en el material donde los portadores de carga energizados pueden atascarse y recombinarse. perdiendo su energía para calentar, en lugar de convertirlo en luz o electricidad útil. Este proceso de recombinación indeseable puede tener un impacto significativo en la eficiencia y estabilidad de los paneles solares y LED.

Hasta ahora, se sabía muy poco sobre la causa de estas trampas, en parte porque parecen comportarse de manera bastante diferente a las trampas en los materiales tradicionales de las células solares.

En 2015, El Dr. Stranks y sus colegas publicaron un artículo científico que analiza la luminiscencia de las perovskitas, lo que revela lo buenos que son para absorber o emitir luz. "Descubrimos que el material era muy heterogéneo; había regiones bastante grandes que eran brillantes y luminiscentes, y otras regiones que eran realmente oscuras, ", dice Stranks." Estas regiones oscuras corresponden a pérdidas de energía en las células solares o LED. Pero lo que estaba causando la pérdida de energía siempre fue un misterio, especialmente porque las perovskitas son, por lo demás, muy tolerantes a los defectos ".

Debido a las limitaciones de las técnicas de imagen estándar, el grupo no pudo decir si las áreas más oscuras fueron causadas por una, gran sitio de trampa, o muchas trampas más pequeñas, lo que dificulta establecer por qué se estaban formando solo en ciertas regiones.

Más tarde en 2017, El grupo del profesor Keshav Dani en OIST publicó un artículo en Nanotecnología de la naturaleza , donde hicieron una película de cómo se comportan los electrones en semiconductores después de absorber luz. "Se puede aprender mucho al poder ver cómo se mueven las cargas en un material o dispositivo después de brillar la luz. Por ejemplo, puedes ver dónde podrían estar atrapados, "dice Dani". Sin embargo, estas cargas son difíciles de visualizar ya que se mueven muy rápido, en la escala de tiempo de una millonésima de mil millonésima de segundo; y en distancias muy cortas, en la escala de una milmillonésima parte de un metro ".

Al enterarse del trabajo de Dani, El Dr. Stranks se acercó para ver si podían trabajar juntos para abordar el problema de visualizar las regiones oscuras en las perovskitas.

El equipo de OIST utilizó una técnica llamada microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM) por primera vez en perovskitas. donde sondearon el material con luz ultravioleta y construyeron una imagen basada en cómo se dispersaron los electrones emitidos.

Cuando miraron el material, encontraron que las regiones oscuras contenían trampas, alrededor de 10-100 nanómetros de longitud, que eran grupos de sitios trampa de tamaño atómico más pequeños. Estos grupos de trampas se distribuyeron de manera desigual por todo el material de perovskita, explicando la luminiscencia heterogénea vista en la investigación anterior de Stranks.

Curiosamente, cuando los investigadores superpusieron imágenes de los sitios de la trampa sobre imágenes que mostraban los granos de cristal del material de perovskita, descubrieron que los grupos de trampas solo se formaban en lugares específicos, en los límites entre ciertos granos.

Para entender por qué esto solo ocurrió en ciertos límites de grano, los grupos trabajaron junto con el equipo del profesor Paul Midgley del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de la Universidad de Cambridge utilizando una técnica llamada difracción electrónica de barrido para crear imágenes detalladas de la estructura del cristal de perovskita. El equipo del proyecto hizo uso de la configuración de microscopía electrónica en las instalaciones de ePSIC en el Sincrotrón Diamond Light Source, que cuenta con equipos especializados para la obtención de imágenes de materiales sensibles al haz, como las perovskitas.

"Debido a que estos materiales son muy sensibles al rayo, Las técnicas típicas que usaría para sondear la estructura cristalina local en estas escalas de longitud cambiarán rápidamente el material a medida que lo mira, lo que puede dificultar mucho la interpretación de los datos ", explica Tiarnan Doherty, un doctorado estudiante del grupo de Stranks y coautor principal del estudio. "En lugar de, pudimos utilizar dosis de exposición muy bajas y, por lo tanto, evitar daños.

"Del trabajo en OIST, sabíamos dónde estaban ubicados los grupos de trampas, y en ePSIC, escaneamos alrededor de esas mismas áreas para ver la estructura local. Luego pudimos identificar rápidamente variaciones inesperadas en la estructura cristalina alrededor de los grupos de trampas ".

El grupo descubrió que los grupos de trampas solo se formaban en las uniones donde un área del material con una estructura ligeramente distorsionada se encontraba con un área con una estructura prístina.

"En perovskitas, tenemos estos granos de mosaico regulares de material y la mayoría de los granos son agradables y prístinos, la estructura que esperaríamos, "dice Stranks." Pero de vez en cuando, obtienes un grano que está ligeramente distorsionado y la química de ese grano no es homogénea. Lo que fue realmente interesante y que inicialmente nos confundió, fue que no es el grano distorsionado que es la trampa sino donde ese grano se encuentra con un grano prístino; es en ese cruce donde se agrupan las trampas ".

Con esta comprensión de la naturaleza de las trampas, El equipo de OIST también utilizó la instrumentación PEEM personalizada para visualizar la dinámica del proceso de captura del portador de carga que ocurre en el material de perovskita. "Esto fue posible porque una de las características únicas de nuestra configuración PEEM es que puede generar imágenes de procesos ultrarrápidos, tan cortos como femtosegundos, "explica Andrew Winchester, un doctorado estudiante en la Unidad del Prof.Dani, y coautor principal de este estudio. "Descubrimos que el proceso de captura estaba dominado por portadores de carga que se difundían hacia los grupos de trampas".

Estos descubrimientos representan un gran avance en la búsqueda de llevar perovskitas al mercado de la energía solar.

"Todavía no sabemos exactamente por qué las trampas se agrupan allí, pero ahora sabemos que se forman ahí, y aparentemente solo ahí, ", dice Stranks." Eso es emocionante porque significa que ahora sabemos qué apuntar para mostrar el rendimiento de las perovskitas. Necesitamos apuntar a esas fases no homogéneas o deshacernos de estas uniones de alguna manera ".

'El hecho de que los portadores de carga deban difundirse primero a las trampas también podría sugerir otras estrategias para mejorar estos dispositivos, "dice Dani." Tal vez podríamos alterar o controlar la disposición de los grupos de trampas, sin cambiar necesariamente su número medio, de modo que es menos probable que los operadores de carga lleguen a estos sitios defectuosos ".

La investigación de los equipos se centró en una estructura particular de perovskita. Los científicos ahora investigarán si la causa de estos grupos de atrapamiento es universal en otros materiales de perovskita.

"La mayor parte del progreso en el rendimiento del dispositivo ha sido prueba y error y, hasta ahora, este ha sido un proceso bastante ineficiente, "dice Stranks". Hasta la fecha, realmente no ha sido impulsado por conocer una causa específica y apuntar sistemáticamente a eso. Este es uno de los primeros avances que nos ayudará a utilizar la ciencia fundamental para diseñar dispositivos más eficientes ".