El esquema muestra una muestra de perovskita (negra) examinada mediante la técnica de resonancia fototérmica inducida. Cuando la muestra absorbe pulsos de luz (representados como discos en conos de color púrpura), la muestra se expande rápidamente, haciendo que el voladizo de un microscopio de fuerza atómica (AFM) vibre como un diapasón golpeado. El movimiento del voladizo, que se detecta reflejando la luz láser AFM (roja) del detector AFM, proporciona una medida sensible de la cantidad de luz absorbida. Crédito:NIST
Los materiales cristalinos conocidos como perovskitas podrían convertirse en las próximas superestrellas de las células solares. En los ultimos años, Los investigadores han demostrado que una clase especial de perovskitas, las que consisten en un híbrido de componentes orgánicos e inorgánicos, convierten la luz solar en electricidad con una eficiencia superior al 20 por ciento y son más fáciles de fabricar y más impermeables a los defectos que las células solares estándar hechas de silicio cristalino. . Tal como se fabrica hoy, sin embargo, estas perovskitas orgánicas / inorgánicas (OIP) se deterioran mucho antes de la vida útil típica de 30 años para las células de silicio, lo que impide su uso generalizado en el aprovechamiento de la energía solar.
Ahora, un equipo dirigido por Andrea Centrone en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y Jinsong Huang y Alexei Gruverman de la Universidad de Nebraska ha encontrado la primera evidencia sólida de una propiedad de los OIP que puede proporcionar una nueva forma de mejorar su largo -estabilidad a largo plazo como células solares.
La característica inesperada que encontró el equipo se conoce como ferroelasticidad, una reordenación espontánea de la estructura interna de los OIP en la que cada cristal se subdivide en una serie de regiones diminutas. o dominios, que tienen la misma disposición atómica pero que están orientados en diferentes direcciones. Este reordenamiento crea una tensión espontánea en cada dominio que existe incluso en ausencia de cualquier estrés externo (fuerza).
"Debe entenderse el papel de los dominios ferroelásticos en la estabilidad del material, "dijo Centrone.
A altas temperaturas, Los cristales de OIP no se subdividen y tienen la misma disposición cúbica de átomos en todas partes. A temperatura ambiente, sin embargo, la estructura cristalina de OIP cambia de cúbica a tetragonal, en el que se alarga un eje del cubo. Ahí es donde entra en juego la propiedad ferroelástica del material.
La imagen registrada por un microscopio de fuerza atómica revela la topografía de una muestra policristalina de perovskita, incluyendo los límites entre cristales. Crédito:NIST
"Para transformar de una disposición cúbica a una tetragonal, un eje del cubo debe alargarse. En el proceso, cada cristal se subdivide en dominios más pequeños en los que el eje alargado puede apuntar en una dirección diferente, que conduce a una tensión interna espontánea, ", explicó el miembro del equipo Evgheni Strelcov de NIST y la Universidad de Maryland.
En el presente, se desconoce si la ferroelasticidad es una propiedad que mejora o dificulta el rendimiento y la estabilidad de las células solares de perovskita, señaló Centrone. Pero el mero hecho de que los OIP tengan esta estructura interna, dividiendo los cristales individuales en dominios, es importante investigar, añadió. Se sabe que los límites entre cristales, los llamados límites entre granos, son puntos débiles, donde se concentran los defectos estructurales. Similar, los límites entre los dominios ferroelásticos recién descubiertos dentro de un solo cristal (límites intragranulares) también podrían afectar la estabilidad de los OIP y su desempeño como células solares.
Los investigadores descubrieron que al doblar los cristales, podrían moverse de manera confiable, crear o eliminar los límites de grano ferroelástico, los límites entre regiones cristalinas subdivididas que tienen diferentes orientaciones, ampliando o reduciendo así el tamaño de cada dominio. La flexión también cambió la fracción relativa de dominios que apuntaban en diferentes orientaciones. Los investigadores describieron recientemente su trabajo en Science Advances.
La imagen tomada con la técnica de resonancia fototérmica inducida muestra los dominios ferroelásticos recién descubiertos (estrías) dentro de la mayoría de los cristales. La escala muestra la intensidad de la señal PTIR, una medida de la luz infrarroja absorbida por la muestra. Crédito:NIST
En su estudio, el equipo no encontró evidencia de que los OIP fueran ferroeléctricos; en otras palabras, que formaron dominios donde la separación del centro de cargas eléctricas positivas y negativas se alinea en diferentes direcciones en ausencia de un campo eléctrico externo. Este hallazgo es significativo, porque algunos investigadores habían especulado que la ferroelectricidad podría ser la propiedad subyacente que hace que los OIP sean candidatos prometedores para las células solares.
Los investigadores crearon cristales enteros únicos lo suficientemente grandes como para revelar dominios ferroelásticos, que aparecieron como estrías con un microscopio óptico. También estudiaron OIP que consisten en películas delgadas policristalinas, que fueron examinados utilizando técnicas de nanoescala.
Los investigadores utilizaron dos métodos a nanoescala que emplean sondas de microscopio de fuerza atómica (AFM) para medir la ferroelasticidad en películas delgadas OIP. En la Universidad de Nebraska, Gruverman y sus colaboradores utilizaron microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM), que mapeó la respuesta mecánica inducida eléctricamente de una muestra de OIP en reposo y bajo estrés mecánico doblando suavemente la muestra.
La ilustración muestra que en respuesta a una tensión aplicada, como doblarse, los límites de los dominios ferroelásticos (las regiones roja y azul representan dominios orientados en diferentes direcciones) se hacen más grandes o más pequeños. Crédito:NIST
En el otro método, pulsos de láser que se extienden desde el rango visible al infrarrojo golpearon una película delgada de perovskita, haciendo que el material se caliente y se expanda. La pequeña expansión fue capturada y amplificada por la sonda AFM usando resonancia fototérmica inducida (PTIR), una técnica que combina la resolución de un AFM con la información de composición precisa proporcionada por la espectroscopia infrarroja. Las imágenes PTIR revelaron la presencia de estrías microscópicas que persistieron incluso cuando las muestras se sometieron a calentamiento o se les aplicó voltaje. Los experimentos mostraron que las estrías no estaban correlacionadas con la composición química local o las propiedades ópticas, pero se debieron a diferencias en el coeficiente de expansión térmica de los dominios ferroelásticos.
