Las células solares son dispositivos que absorben fotones de la luz solar y convierten su energía en electrones, lo que permite la producción de energía limpia y proporciona una ruta confiable para ayudar a combatir el cambio climático. Pero la mayoría de las células solares que se utilizan ampliamente en la actualidad son gruesas, frágil y rígido, lo que limita su aplicación a superficies planas y aumenta el costo de fabricación de la celda solar.

Las "células solares de película delgada" podrían tener 1/100 del grosor de una hoja de papel y ser lo suficientemente flexibles como para adornar superficies que van desde un automóvil aerodinámicamente elegante hasta ropa. Para hacer células solares de película delgada, los científicos se están moviendo más allá de los compuestos semiconductores "clásicos", como arseniuro de galio o silicio, y trabajar en su lugar con otros compuestos de recolección de luz que tienen el potencial de ser más baratos y más fáciles de producir en masa. Los compuestos podrían adoptarse ampliamente si pudieran funcionar tan bien como la tecnología actual.

En un artículo publicado en línea esta primavera en la revista Fotónica de la naturaleza , Los científicos de la Universidad de Washington informan que un prototipo de película delgada de semiconductores ha funcionado incluso mejor que los mejores materiales de células solares de la actualidad en la emisión de luz.

"Puede sonar extraño, ya que las células solares absorben la luz y la convierten en electricidad, pero los mejores materiales de células solares también son excelentes para emitir luz, "dijo el coautor y profesor de ingeniería química de la Universidad de Washington, Hugh Hillhouse, quien también es miembro de la facultad tanto del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington como del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular. "De hecho, por lo general, cuanto más eficientemente emiten luz, cuanto más voltaje generan ".

El equipo de la UW logró un desempeño récord en este material, conocida como perovskita de haluro de plomo, tratándolo químicamente a través de un proceso conocido como "pasivación superficial, "que trata las imperfecciones y reduce la probabilidad de que los fotones absorbidos terminen desperdiciados en lugar de convertirse en energía útil.

"Un gran problema con las células solares de perovskita es que demasiada luz solar absorbida terminaba como calor desperdiciado, electricidad no útil, "dijo el coautor David Ginger, profesor de química de la Universidad de Washington y científico jefe del CEI. "Tenemos la esperanza de que estrategias de pasivación de superficies como esta ayuden a mejorar el rendimiento y la estabilidad de las células solares de perovskita".

Los equipos de Ginger y Hillhouse trabajaron juntos para demostrar que la pasivación superficial de las perovskitas aumentó drásticamente el rendimiento a niveles que convertirían a este material entre los mejores para las células solares de película delgada. Experimentaron con una variedad de productos químicos para la pasivación de la superficie antes de encontrar uno, un compuesto orgánico conocido por sus siglas TOPO, que impulsó el rendimiento de la perovskita a niveles que se acercan a los mejores semiconductores de arseniuro de galio.

"Nuestro equipo en la Universidad de Washington fue uno de los primeros en identificar defectos que limitan el rendimiento en las superficies de los materiales de perovskita, y ahora estamos emocionados de haber descubierto una forma efectiva de diseñar químicamente estas superficies con moléculas TOPO, "dijo el coautor principal Dane deQuilettes, investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts que realizó esta investigación como estudiante de doctorado en química de la Universidad de Washington. "En primer lugar, nos sorprendió mucho descubrir que los materiales pasivados parecían ser tan buenos como el arseniuro de galio, que tiene el récord de eficiencia de células solares. Entonces, para verificar nuestros resultados, ideamos algunos enfoques diferentes para confirmar las mejoras en la calidad del material de perovskita ".

DeQuilettes y el coautor principal Ian Braly, quien realizó esta investigación como estudiante de doctorado en ingeniería química, mostró que el tratamiento con TOPO de un semiconductor de perovskita afectó significativamente sus eficiencias cuánticas de fotoluminiscencia interna y externa, métricas utilizadas para determinar qué tan bueno es un material semiconductor para utilizar la energía de un fotón absorbido en lugar de perderla como calor. El tratamiento con TOPO de la perovskita aumentó diez veces las eficiencias cuánticas de fotoluminiscencia interna, del 9,4 por ciento a casi el 92 por ciento.

"Nuestras mediciones, observando la eficiencia con la que las perovskitas híbridas pasivadas absorben y emiten luz, muestran que no existen defectos materiales inherentes que impidan nuevas mejoras en las células solares". "dijo Braly." Además, ajustando los espectros de emisión a un modelo teórico, Demostramos que estos materiales podrían generar voltajes 97 por ciento del máximo teórico, igual al récord mundial de células solares de arseniuro de galio y mucho más alto que las células de silicio récord que sólo alcanzan el 84 por ciento ".

Estas mejoras en la calidad del material se predice teóricamente para permitir que la eficiencia de conversión de energía de luz a electricidad alcance el 27,9 por ciento con niveles normales de luz solar. lo que empujaría el récord fotovoltaico basado en perovskita más allá de los mejores dispositivos de silicio.

El siguiente paso para las perovskitas, los investigadores dijeron, es demostrar una pasivación química similar que es compatible con electrodos de fácil fabricación, así como experimentar con otros tipos de pasivación de superficie.

"Las perovskitas ya han demostrado un éxito sin precedentes en dispositivos fotovoltaicos, pero hay mucho margen de mejora, ", dijo deQuilettes." Aquí creemos que hemos proporcionado un camino a seguir para que la comunidad aproveche mejor la energía del sol ".