Un material con estructura de cristal de perovskita se ha vuelto muy popular para las células solares. Si bien la mayoría de las perovskitas son compuestos inorgánicos, este nuevo material es un híbrido de materiales orgánicos e inorgánicos relativamente económicos. En solo unos pocos años, Los investigadores han logrado una notable eficiencia de conversión de energía con estas perovskitas, comparable con los mejores materiales fotovoltaicos disponibles.
Ahora, Investigadores de Japón han revelado la física de cómo funciona un componente importante de una célula solar de perovskita, un hallazgo que podría conducir a células solares mejoradas o incluso a materiales más nuevos y mejores. Describen sus experimentos en la edición de esta semana de la revista. Letras de física aplicada .
"Los principales estudios se han centrado en mejorar la eficiencia [de las células solares] [con perovskita], ", dijo Kazuhiro Marumoto de la Universidad de Tsukuba." Pero el mecanismo microscópico detrás de [cómo] funcionan estas células solares [que usan perovskitas] no ha sido completamente investigado ".
Las células solares funcionan convirtiendo la energía luminosa en electricidad. Cuando un fotón golpea la perovskita, por ejemplo, golpea un electrón suelto. El lugar vacío que deja el electrón se llama agujero, y actúa como una partícula cargada positivamente. El movimiento posterior de los electrones y los huecos es lo que genera la corriente eléctrica.
Debido a que la perovskita en sí no conduce muy bien el movimiento de los agujeros, Las células solares requieren una capa adicional de material de transporte de huecos para facilitar el flujo de corriente. Un material de transporte de agujeros común es un compuesto llamado spiro-OMeTAD. Para impulsar la corriente aún más, Los investigadores agregan una sal de litio llamada LiTFSI a spiro-OMeTAD. Este proceso se llama "dopaje".
Spiro-OMeTAD es un material amorfo, lo que le confiere unas propiedades únicas. La mayoría de los materiales sólidos tienen bandas de energía electrónica bien definidas en las que los electrones y los huecos pueden moverse para transportarse a través del material. Cristales, por ejemplo, a menudo tienen estructuras de bandas que permiten un flujo simétrico de electrones y huecos. Pero los materiales amorfos no lo hacen.
Debido a esta estructura de banda asimétrica, los agujeros pueden tener dificultades para viajar a través de un material amorfo porque pueden quedar atrapados en un nivel de energía particular. Pero, según la teoría, dopando spiro-OMeTAD con LiTFSI evita que los agujeros queden atrapados.
Pares de electrones ocupan cada nivel de energía en spiro-OMeTAD. Pero cuando se introduce LiTFSI, uno de esos electrones se elimina, dejando un agujero en su lugar. La presencia de ese agujero evita que otros agujeros se atasquen en ese nivel de energía, permitiéndoles moverse libremente y generar corriente eléctrica.
Previamente, nadie ha confirmado este proceso. Pero Marumoto y sus colegas ahora han utilizado la espectroscopia de resonancia de espín de electrones (ESR) para demostrar que este mecanismo es, De hecho, responsable de mejorar la capacidad de spiro-OMeTAD para transportar corriente.
La espectroscopia ESR mide el giro de un solo, electrones desapareados, que es lo que se crea cuando spiro-OMeTAD se dopa con LiTFSI. En experimentos sin luz, los investigadores encontraron que el número de espines de electrones en spiro-OMeTAD aumentó en dos órdenes de magnitud después de ser dopado, confirmando el efecto de LiTFSI.
Para ver cómo el dopaje afecta la eficiencia de una célula solar de perovskita / espiro-OMeTAD, Luego, los investigadores llevaron a cabo sus experimentos con los dos materiales superpuestos, con las luces encendidas. La luz induce la transferencia de agujeros de perovskita a espiro-OMeTAD y genera corriente eléctrica. Los investigadores encontraron que el dopaje aumentó esta transferencia de agujeros, demostrando cómo LiTFSI mejora la eficiencia de una celda solar.
