La investigación dirigida por físicos de la Universidad de Texas en Dallas ha alterado la comprensión de las propiedades fundamentales de los cristales de perovskita, una clase de materiales con gran potencial como células solares y emisores de luz.

Publicado en julio en Comunicaciones de la naturaleza , el estudio presenta evidencia que cuestiona los modelos existentes del comportamiento de las perovskitas a nivel cuántico.

"Nuestro mayor conocimiento de la física de las perovskitas ayudará a determinar cómo se utilizan mejor, "dijo el Dr. Anton Malko, profesor asociado de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas y autor correspondiente del artículo.

El término perovskita se refiere en términos generales a minerales con la misma estructura cristalina específica que el compuesto que originalmente llevaba el nombre de perovskita:titanato de calcio.

"En cualquier cristal puro, los átomos están dispuestos de una manera muy ordenada, "dijo el Dr. Riya Bose, investigador asociado postdoctoral en física que preparó las muestras para el estudio. "Miles de materiales pueden definirse como perovskitas por su estructura particular. Ciertos tipos de estos son excelentes candidatos para células solares o emisores de luz".

La investigación de la perovskita es relativamente joven, comenzando con los estudios fotovoltaicos publicados hace aproximadamente una década. En comparación, Las células solares de silicio se han perfeccionado durante muchas décadas.

"Células solares de silicio, como los que puedes comprar ahora, se han vuelto más eficientes a lo largo de las décadas, aumentando drásticamente después de la década de 1960, ", Dijo Malko." La eficiencia actual es de alrededor del 20 por ciento, "lo que significa que una quinta parte de la energía de la luz incidente se convierte en electricidad mediante células solares.

Debido a que las perovskitas son un tema de investigación más reciente, Aún se desconoce mucho acerca de por qué se comportan como lo hacen.

"Lo que se sabe, sin embargo, es que las perovskitas ya superan la máxima eficacia conseguida con el silicio, ", Dijo Malko." También son fáciles de hacer y son muy económicos en comparación con el silicio ".

Lo que frena a la perovskita es su inestabilidad; una celda solar de perovskita tendría que ser reemplazada en cuestión de semanas.

"Una célula solar que se degrada rápidamente bajo la luz solar es claramente inútil, "Dijo Malko." Una celda de silicio podría durar 20 años. Con perovskita, la esperanza de vida se mide en cientos de horas. Pero incluso eso representa un progreso desde las primeras investigaciones. Ahora, hemos pasado a trabajar con perovskitas inorgánicas, que debería prolongar esa vida ".

Muchos materiales con buenas tasas de absorción de luz también son buenos para reemitir esa luz. El trabajo de Malko se ha centrado en el comportamiento de emisión de luz de las perovskitas a nivel de nanopartículas.

"El rendimiento cuántico de algunas partículas de perovskita es casi del 100%, lo que significa que son superbrillantes, ", dijo." Nos propusimos encontrar la fuente específica de esta luminiscencia ".

Antes del estudio de Malko, el modelo generalizado fue que dentro de las perovskitas, como en muchos otros semiconductores, la luz es emitida por excitones:estados ligados de cargas negativas y positivas, respectivamente llamados electrones y huecos. Los excitones pueden moverse a grandes distancias dentro del material.

Según este modelo, a medida que se reduce el tamaño del material, los excitones deberían volverse más restringidos en su movimiento, un proceso llamado confinamiento cuántico. Esto debería resultar en cambios en la longitud de onda, o color, de luz absorbida o emitida.

Usando espectroscopía de partículas individuales para observar nanopartículas de perovskita, los científicos querían saber qué estaban haciendo los excitones individuales. Al probar la sabiduría convencional, lo refutaron.

"Observamos que la luz de perovskita es notablemente consistente, "Dijo Malko." A pesar de examinar una amplia gama de tamaños, de 9 a 30 nanómetros, la longitud de onda de emisión, el color de la luz, no cambió en las muestras de perovskita a base de cesio, ", dijo." La luz emitida era de un verde específico sin importar el tamaño del material observado ".

¿Qué Malko, Bose y sus colegas encontraron, tanto en las perovskitas que poseen redes cristalinas tridimensionales internas como en las de dimensión cero, que la emisión de luz en el nivel de una sola nanopartícula se parecía más a la luz del individuo, excitaciones moleculares fuertemente localizadas en lugar de electrones móviles y huecos. Profundizando más, los investigadores determinaron que la fuente de la luz emitida estaba estrechamente relacionada con los sitios vacantes del átomo de bromuro dentro de las perovskitas.

"Estos hallazgos contradicen el modelo de confinamiento cuántico, lo que dictaría que la fuente de luminiscencia en estas perovskitas es de excitones deslocalizados sobre nanopartículas, "Dijo Malko." Perovskitas de cualquier tamaño demostrarán este comportamiento ".

Adicionalmente, en un caso de confinamiento cuántico, la exposición a una luz más intensa crearía más excitones con diferente comportamiento y propiedades emisoras. En las nanopartículas de perovskita a base de cesio, sin embargo, La salida de fotones mejorada se caracterizó por parámetros de emisión similares.

"Esto es dramáticamente diferente de las opiniones anteriores de la comunidad, "Dijo Malko." La preconcepción prevaleciente que involucra el confinamiento cuántico ha sido difícil de desplazar ".

Malko describió la investigación como un importante paso adelante en la comprensión de las propiedades de emisión de los materiales de perovskita. Todavía, Es necesario resolver una serie de cuestiones antes de su implementación práctica, principalmente, el problema de la longevidad.

"Si alguien encuentra una manera de hacer que las perovskitas duren varios años, Predigo que habrá docenas de empresas que fabricarán células solares de perovskita y dispositivos emisores de luz, " él dijo.