Una mirada más cercana a los materiales que componen las células solares convencionales revela una disposición casi rígida de átomos con poco movimiento. Pero en las perovskitas híbridas, una clase prometedora de materiales de células solares, los arreglos son más flexibles y los átomos bailan salvajemente alrededor, un efecto que impacta en el rendimiento de las células solares pero que ha sido difícil de medir.

En un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. ha desarrollado una nueva comprensión de esos bailes salvajes y cómo afectan el funcionamiento de los materiales de perovskita. Los resultados podrían explicar por qué las células solares de perovskita son tan eficientes y ayudar en la búsqueda del diseño de células solares portadoras de calor. una tecnología teorizada que casi duplicaría los límites de eficiencia de las células solares convencionales al convertir más luz solar en energía eléctrica utilizable.

Pieza del rompecabezas

Células solares de perovskita, que se puede producir a temperatura ambiente, ofrecen una alternativa menos costosa y potencialmente de mejor rendimiento a los materiales de células solares convencionales como el silicio, que deben fabricarse a temperaturas extremadamente altas para eliminar defectos. Pero la falta de comprensión sobre qué hace que los materiales de perovskita sean tan eficientes para convertir la luz solar en electricidad ha sido un obstáculo importante para producir células solares de perovskita de mayor eficiencia.

"Realmente solo ha sido en los últimos cinco o seis años que la gente ha desarrollado este intenso interés en los materiales de perovskita solar, "dice Mike Toney, un científico distinguido del personal de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC que dirigió el estudio. "Como consecuencia, Falta una gran parte del conocimiento fundamental sobre lo que hace que los materiales funcionen. En esta investigación, proporcionamos una pieza importante de este rompecabezas al mostrar lo que las distingue de los materiales de células solares más convencionales. Esto nos proporciona los fundamentos científicos que nos permitirán comenzar a diseñar estos materiales de manera racional ".

Manteniéndolo caliente

Cuando la luz del sol golpea una celda solar, parte de la energía se puede utilizar para impulsar los electrones en el material a estados de mayor energía. Estos electrones de mayor energía se canalizan fuera del material, produciendo electricidad.

Pero antes de que esto suceda, la mayor parte de la energía del sol se pierde en calor y una fracción también se pierde durante la extracción de energía utilizable o debido a una recolección de luz ineficiente. En muchas células solares convencionales, como los hechos con silicona, Los fonones acústicos, una especie de onda de sonido que se propaga a través del material, son la forma principal en que este calor se transporta a través del material. La energía perdida por el electrón como calor limita la eficiencia de la célula solar.

En este estudio, teóricos del Reino Unido, dirigido por el profesor del Imperial College Aron Walsh y los teóricos de la estructura electrónica Jonathan Skelton y Jarvist Frost, proporcionó un marco teórico para interpretar los resultados experimentales. Ellos predijeron que los fonones acústicos que viajan a través de las perovskitas tendrían una vida corta como resultado de la disposición flexible de átomos y moléculas danzantes en el material.

Los químicos de Stanford, Hema Karunadasa e Ian Smith, pudieron cultivar grandes monocristales especializados que fueron esenciales para este trabajo. Con la ayuda de Peter Gehring, un físico en el NIST Center for Neutron Research, El equipo dispersó neutrones de estos monocristales de perovskita de una manera que les permitió rastrear el movimiento de los átomos y moléculas dentro del material. Esto les permitió medir con precisión la vida útil de los fonones acústicos.

El equipo de investigación encontró que en las perovskitas, Los fonones acústicos tienen una vida increíblemente corta, sobreviviendo por sólo 10 a 20 billonésimas de segundo. Sin estos fonones que transportan calor a través del material, los electrones pueden permanecer calientes y retener su energía cuando se extraen del material. Aprovechar este efecto podría conducir a células solares portadoras calientes con eficiencias que son casi el doble de altas que las células solares convencionales.

Además, este fenómeno podría explicar cómo las células solares de perovskita funcionan tan bien a pesar de que el material está plagado de defectos que atraparían electrones y amortiguarían el rendimiento de otros materiales.

"Dado que los fonones de las perovskitas no viajan muy lejos, terminan calentando el área que rodea a los electrones, lo que podría proporcionar el impulso que los electrones necesitan para escapar de las trampas y continuar su camino alegre, "Dice Toney.

Transformando la producción de energía

Para dar seguimiento a este estudio, Los investigadores del Centro de Semiconductores Híbridos Orgánicos-Inorgánicos para la Energía (CHOISE) Energy Frontier Research Center dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del DOE investigarán este fenómeno en materiales de perovskita más complicados que han demostrado ser más eficientes en dispositivos de energía. Les gustaría descubrir cómo el cambio de la composición química del material afecta la vida útil de los fonones acústicos.

"Necesitamos transformar fundamentalmente nuestro sistema energético lo más rápido posible, "dice Aryeh Gold-Parker, quien codirigió el estudio como Ph.D. estudiante de la Universidad de Stanford y SLAC. "A medida que avanzamos hacia un futuro con bajas emisiones de carbono, una pieza muy importante es tener células solares económicas y eficientes. La esperanza en las perovskitas es que conducirán a paneles solares comerciales que sean más eficientes y más baratos que los que hay en el mercado hoy ".