Propiedades estructurales y ópticas de NaBiS2 películas de Carolina del Norte. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza . DOI:10.1038/s41467-022-32669-3
Las células solares son vitales para la transición hacia la energía verde. Se pueden usar no solo en techos y granjas solares, sino también para alimentar vehículos autónomos, como aviones y satélites. Sin embargo, las células solares fotovoltaicas actualmente son pesadas y voluminosas, lo que las hace difíciles de transportar a lugares remotos fuera de la red, donde son muy necesarias.
En una colaboración dirigida por el Imperial College London, junto con investigadores de Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin en Alemania y otros, los investigadores han producido materiales que pueden absorber niveles de luz solar comparables a los de las células solares de silicio convencionales, pero con 10 000 veces menos espesor.
El material es sulfuro de bismuto de sodio (NaBiS2 ), que se cultiva como nanocristales y se deposita a partir de una solución para formar películas de 30 nanómetros de espesor. NaBiS2 se compone de elementos no tóxicos que son lo suficientemente abundantes en la corteza terrestre para su uso comercial. Por ejemplo, los compuestos a base de bismuto se utilizan como reemplazo no tóxico del plomo en la soldadura o en medicamentos estomacales de venta libre.
Yi-Teng Huang, Ph.D. estudiante de la Universidad de Cambridge y coautor principal, comentó que "han encontrado un material que absorbe la luz con más fuerza que las tecnologías de células solares convencionales y que se puede imprimir a partir de una tinta. Esta tecnología tiene potencial para fabricar células solares ligeras que se pueden fácilmente transportados o utilizados en aplicaciones aeroespaciales".
Beneficios del desorden y el sodio
Los factores críticos para la fuerte absorción de la luz son los efectos del desorden y el papel del sodio.
Los iones de sodio y bismuto en NaBiS2 tienen tamaños similares, lo que significa que en lugar de ocupar diferentes sitios cristalográficos (ordenados), ocupan el mismo sitio (desordenados). Como resultado, la estructura cristalina cambia a sal de roca, que se parece a la sal de mesa. Sin embargo, el sodio y el bismuto no se distribuyen uniformemente en el material, y esta (in)homogeneidad del desorden entre estos iones tiene un efecto significativo en la fuerza de absorción.
Se encontraron efectos similares en un trabajo reciente en AgBiS2 , pero NaBiS2 tiene un inicio más fuerte y más agudo en la absorción de luz. Esto se debe a que el sodio, a diferencia de la plata, no contribuye a los estados electrónicos alrededor de la banda prohibida del semiconductor. Como resultado, existe una mayor concentración de estados electrónicos disponibles para la absorción de luz.
Seán Kavanagh, co-primer autor y Ph.D. estudiante en los grupos de investigación del Prof. Aron Walsh en el Departamento de Materiales de Imperial, y el Prof. David Scanlon en UCL, comentó que "el desorden ha sido visto durante mucho tiempo como el enemigo de las células solares. Se sabe que mata la eficiencia en materiales solares convencionales como el silicio ( Si), telururo de cadmio (CdTe) y arseniuro de galio (GaAs), los investigadores generalmente se han centrado en evitarlo a toda costa. Este trabajo, junto con otros estudios recientes de nuestro y otros grupos, muestra que este no es necesariamente el caso".
"Más bien, si podemos comprender y controlar este trastorno, puede presentar una herramienta poderosa para ajustar las propiedades de los materiales y lograr un rendimiento sin precedentes en una amplia gama de aplicaciones, no solo en las células solares, sino también en los LED y termoeléctricos, por ejemplo. Es una experiencia emocionante". perspectiva para la investigación de materiales".
Acercamiento en una billonésima de segundo
Los investigadores también encontraron que el desorden tiene un efecto significativo e inusual en el transporte de cargas fotogeneradas en el material. Esto se estudió utilizando técnicas espectroscópicas que prueban los procesos que ocurren hasta una billonésima de segundo (picosegundo), así como el modelado computacional.
Estos estudios encontraron que una distribución no homogénea de iones de sodio y bismuto da como resultado la formación de estados electrónicos localizados, que capturan cargas rápidamente. Estos cargos viven en estos estados durante decenas de microsegundos, que es al menos 100 veces más que en otros semiconductores novedosos. Sin embargo, las cargas quedan atrapadas en estos estados y solo pueden moverse saltando entre estados, lo que en última instancia limita su capacidad de moverse y extraerse como electricidad.
Inusualmente, los investigadores también encontraron que los defectos atómicos juegan un papel insignificante en NaBiS2 , porque el transporte de cargas está dominado por los efectos de estos estados localizados. Estos resultados, por tanto, demuestran la importancia de controlar el grado de desorden y comprender la influencia sobre los estados electrónicos en los materiales.
Los investigadores también encontraron NaBiS2 ser estable en el aire durante toda la duración de su prueba de 11 meses sin necesidad de encapsulación, lo que contrasta marcadamente con otros materiales fotovoltaicos novedosos, como las perovskitas de haluro de plomo. Esto sugiere la durabilidad a largo plazo del material en los dispositivos, que es un requisito clave para las células solares comerciales.
Muchas oportunidades nuevas
Los investigadores prevén que estos hallazgos despertarán un mayor interés en NaBiS2 y materiales similares, especialmente en la comprensión del papel del desorden catiónico y las interacciones entre las cargas y la red cristalina.
El Dr. Robert Hoye, profesor titular del Departamento de Materiales del Imperial College de Londres y autor correspondiente del artículo, comentó que "estos son resultados muy emocionantes que abren nuevas vías para optimizar las propiedades de los recolectores de energía solar". NaBiS2 pertenece a una familia intrigante de materiales, y esperamos que los nuevos conocimientos generados en nuestro trabajo guíen el descubrimiento y la selección de una nueva generación de compuestos fotoactivos eficientes y rentables". + Explore más
