Los paneles solares, también conocidos como fotovoltaicos, se basan en dispositivos semiconductores o células solares para convertir la energía del sol en electricidad.

Para generar electricidad, las células solares necesitan un campo eléctrico para separar las cargas positivas de las cargas negativas. Para obtener este campo, los fabricantes suelen dotar la celda solar con productos químicos para que una capa del dispositivo tenga una carga positiva y otra capa una carga negativa. Este diseño multicapa garantiza que los electrones fluyan desde el lado negativo de un dispositivo hacia el lado positivo, un factor clave en la estabilidad y el rendimiento del dispositivo. Pero el dopaje químico y la síntesis en capas también agregan pasos extra costosos en la fabricación de células solares.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE, en colaboración con UC Berkeley, ha demostrado una solución única que ofrece un enfoque más simple para la fabricación de células solares:un material solar cristalino con un campo eléctrico:una propiedad habilitada por lo que los científicos llaman "ferroelectricidad". El material se informó a principios de este año en la revista Science Advances .

El nuevo material ferroeléctrico, que se cultiva en el laboratorio a partir de tribromuro de cesio y germanio (CsGeBr₃ o CGB), abre la puerta a un enfoque más sencillo para fabricar dispositivos de células solares. A diferencia de los materiales solares convencionales, los cristales CGB están inherentemente polarizados, donde un lado del cristal acumula cargas positivas y el otro lado acumula cargas negativas, sin necesidad de dopaje.

Además de ser ferroeléctrico, CGB también es una "perovskita de haluro" sin plomo, una clase emergente de materiales solares que ha intrigado a los investigadores por su asequibilidad y facilidad de síntesis en comparación con el silicio. Pero muchas de las perovskitas de haluro de mejor rendimiento contienen naturalmente el elemento plomo. Según otros investigadores que publican en Materials Today Energy En 2017, los remanentes de plomo de la producción y eliminación de material solar de perovskita podrían contaminar el medio ambiente y presentar problemas de salud pública. Por estas razones, los investigadores han buscado nuevas formulaciones de perovskita de haluros que eviten el plomo sin comprometer el rendimiento.

"Si puede imaginar un material solar libre de plomo que no solo obtenga energía del sol, sino que también tenga la ventaja adicional de tener un campo eléctrico formado espontáneamente de forma natural, las posibilidades en las industrias de energía solar y electrónica son bastante emocionantes", dijo. el coautor principal Peidong Yang, un destacado experto en nanomateriales conocido por su trabajo pionero en nanocables semiconductores unidimensionales para nuevas tecnologías de células solares y fotosíntesis artificial. Es científico sénior de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

CGB también podría promover una nueva generación de dispositivos de conmutación, sensores y memorias súper estables que respondan a la luz, dijo el coautor principal Ramamoorthy Ramesh, quien ostentaba títulos de científico principal de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de ciencia de materiales y ingeniería en UC Berkeley en el momento del estudio y ahora es vicepresidente de investigación en la Universidad de Rice.

Las películas solares de perovskita generalmente se fabrican utilizando métodos de recubrimiento de solución de bajo costo, como el recubrimiento por rotación o la impresión por chorro de tinta. Y a diferencia del silicio, que requiere una temperatura de procesamiento de aproximadamente 2,732 grados Fahrenheit para fabricar un dispositivo solar, las perovskitas se procesan fácilmente desde una solución a temperatura ambiente hasta alrededor de 300 grados Fahrenheit, y para los fabricantes, estas temperaturas de procesamiento más bajas reducirían drásticamente los costos de energía.

Pero a pesar de su potencial impulso al sector de la energía solar, los materiales solares de perovskita no estarán listos para el mercado hasta que los investigadores superen los desafíos de larga data en la síntesis y estabilidad del producto y la sostenibilidad del material.

Fijando la perovskita ferroeléctrica perfecta

Las perovskitas cristalizan a partir de tres elementos diferentes; y cada cristal de perovskita está delineado por la fórmula química ABX₃

La mayoría de los materiales solares de perovskita no son ferroeléctricos porque su estructura atómica cristalina es simétrica, como un copo de nieve. En las últimas dos décadas, investigadores de energías renovables como Ramesh y Yang han estado a la caza de perovskitas exóticas con potencial ferroeléctrico, específicamente, perovskitas asimétricas.

Hace unos años, la primera autora Ye Zhang, que en ese momento era estudiante de posgrado e investigadora en el laboratorio de Yang en UC Berkeley, se preguntó cómo podía hacer una perovskita ferroeléctrica sin plomo. Ella teorizó que colocar un átomo de germanio en el centro de una perovskita distorsionaría su cristalinidad lo suficiente como para generar ferroelectricidad. Además de eso, una perovskita a base de germanio liberaría el material de plomo. (Zhang ahora es investigador postdoctoral en la Universidad Northwestern).

Pero a pesar de que Zhang se había centrado en el germanio, todavía había incertidumbres. Después de todo, evocar la mejor fórmula de perovskita ferroeléctrica sin plomo es como encontrar una aguja en un pajar. Hay miles de formulaciones posibles.

Entonces, Yang, Zhang y su equipo se asociaron con Sinéad Griffin, científica del personal de la División de Ciencias de Materiales y Fundición Molecular de Berkeley Lab, que se especializa en el diseño de nuevos materiales para una variedad de aplicaciones, incluidas la computación cuántica y la microelectrónica.

Con el apoyo del Materials Project, Griffin usó supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) para realizar cálculos teóricos avanzados basados ​​en un método conocido como teoría funcional de la densidad.

A través de estos cálculos, que toman como entrada la estructura atómica y las especies químicas y pueden predecir propiedades como la estructura electrónica y la ferroelectricidad, Griffin y su equipo se concentraron en CGB, la única perovskita totalmente inorgánica que marcó todas las casillas de los investigadores. Lista de deseos de perovskita ferroeléctrica:¿es asimétrica? Sí, su estructura atómica parece un romboedro, el primo torcido del rectángulo. ¿Es realmente una perovskita? Sí, su fórmula química:CeGeBr₃ – coincide con la estructura reveladora de la perovskita de ABX₃ .

Los investigadores teorizaron que la ubicación asimétrica del germanio en el centro del cristal crearía un potencial que, como un campo eléctrico, separa los electrones positivos de los negativos para producir electricidad. ¿Pero tenían razón?

Medición del potencial ferroeléctrico de CGB

Para averiguarlo, Zhang cultivó diminutos nanocables (de 100 a 1000 nanómetros de diámetro) y nanoplacas (alrededor de 200 a 600 nanómetros de espesor y 10 micrones de ancho) de CGB monocristalino con un control y una precisión excepcionales.

"Mi laboratorio ha estado tratando de descubrir cómo reemplazar el plomo con materiales menos tóxicos durante muchos años", dijo Yang. "Desarrollaste una técnica increíble para hacer crecer perovskitas de haluro de germanio de un solo cristal, y es una hermosa plataforma para estudiar la ferroelectricidad".

Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada revelaron la estructura cristalina asimétrica de CGB, una señal de ferroelectricidad. Los experimentos de microscopía electrónica dirigidos por Xiaoqing Pan en UC Irvine descubrieron más evidencia de la ferroelectricidad de CGB:una estructura atómica "desplazada" compensada por el centro de germanio.

Mientras tanto, los experimentos de medición eléctrica llevados a cabo en el laboratorio Ramesh por Zhang y Eric Parsonnet, estudiante de posgrado en física e investigador de UC Berkeley y coautor del estudio, revelaron una polaridad conmutable en CGB, satisfaciendo otro requisito más para la ferroelectricidad.

Pero un experimento final (mediciones de fotoconductividad en el laboratorio de UC Berkeley de Yang) arrojó un resultado encantador y una sorpresa. Los investigadores encontraron que la absorción de luz de CGB es ajustable, abarcando el espectro de luz visible a ultravioleta (1,6 a 3 electronvoltios), un rango ideal para lograr altas eficiencias de conversión de energía en una celda solar, dijo Yang. Tal sintonizabilidad rara vez se encuentra en los ferroeléctricos tradicionales, anotó.

Yang dice que todavía hay más trabajo por hacer antes de que el material CGB pueda hacer su debut en un dispositivo solar comercial, pero está entusiasmado con los resultados hasta ahora. "Este material de perovskita ferroeléctrica, que es esencialmente una sal, es sorprendentemente versátil", dijo. "Esperamos probar su verdadero potencial en un dispositivo fotovoltaico real". + Explora más

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