Los científicos de la Universidad de Cambridge que estudian los materiales de perovskita para las células solares de próxima generación y los LED flexibles han descubierto que pueden ser más eficientes cuando sus composiciones químicas están menos ordenadas. simplificando enormemente los procesos de producción y reduciendo los costos.

Los sorprendentes hallazgos, publicado en Fotónica de la naturaleza , son el resultado de un proyecto colaborativo, dirigido por el Dr. Felix Deschler y el Dr. Sam Stranks.

El material más utilizado para producir paneles solares es el silicio cristalino, pero para lograr una conversión de energía eficiente se requiere un proceso de producción costoso y que requiere mucho tiempo. El material de silicio debe tener una estructura de oblea muy ordenada y es muy sensible a las impurezas. como el polvo, por lo que tiene que hacerse en una sala limpia.

En la ultima década, Los materiales de perovskita han surgido como alternativas prometedoras.

Las sales de plomo utilizadas para fabricarlas son mucho más abundantes y más baratas de producir que el silicio cristalino. y se pueden preparar con una tinta líquida que simplemente se imprime para producir una película del material.

Los componentes utilizados para fabricar la perovskita se pueden cambiar para dar a los materiales diferentes colores y propiedades estructurales. por ejemplo, hacer que las películas emitan diferentes colores o capten la luz solar de manera más eficiente.

Solo necesita una película muy delgada de este material de perovskita, alrededor de mil veces más delgada que un cabello humano, para lograr eficiencias similares a las obleas de silicio que se utilizan actualmente. abriendo la posibilidad de incorporarlos en ventanas o flexibles, pantallas de teléfonos inteligentes ultraligeros.

"Esta es la nueva clase de semiconductores que podría revolucionar todas estas tecnologías, "dijo Sascha Feldmann, un doctorado estudiante en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.

"Estos materiales muestran una emisión muy eficiente cuando los excitas con fuentes de energía como la luz, o aplique un voltaje para hacer funcionar un LED.

"Esto es realmente útil, pero no quedó claro por qué estos materiales que procesamos en nuestros laboratorios de manera mucho más cruda que estos de sala limpia, obleas de silicio de alta pureza, están funcionando muy bien ".

Los científicos habían asumido que, como con materiales de silicona, cuanto más ordenados pudieran hacer los materiales, más eficientes serían. Pero Feldmann y su coautor principal, Stuart MacPherson, se sorprendieron al descubrir que lo contrario era cierto.

"El descubrimiento fue realmente una gran sorpresa, "dijo Deschler, quien ahora dirige un grupo de investigación Emmy-Noether en TU Munich. "Hacemos mucha espectroscopia para explorar los mecanismos de trabajo de nuestros materiales, y me preguntaba por qué estas películas tan desordenadas químicamente se estaban desempeñando tan excepcionalmente ".

"Fue fascinante ver cuánta luz podíamos obtener de estos materiales en un escenario en el que esperaríamos que fueran bastante oscuros, "dijo MacPherson, un doctorado estudiante en el Laboratorio Cavendish. "Quizás no deberíamos sorprendernos considerando que las perovskitas han reescrito el libro de reglas sobre el desempeño en presencia de defectos y desorden".

Los investigadores descubrieron que su áspero, Las preparaciones aleadas multicomponente en realidad estaban mejorando la eficiencia de los materiales al crear muchas áreas con diferentes composiciones que podrían atrapar los portadores de carga energizados, ya sea de la luz solar en una celda solar, o una corriente eléctrica en un LED.

"En realidad, es debido a este procesamiento crudo y la subsecuente desmezcla de los componentes químicos que se crean estos valles y montañas en energía que las cargas pueden canalizarse y concentrarse, ", dijo Feldmann." Esto los hace más fáciles de extraer para su célula solar, y es más eficiente producir luz desde estos puntos calientes en un LED ".

Sus hallazgos podrían tener un gran impacto en el éxito de la fabricación de estos materiales.

"Las empresas que buscan hacer líneas de fabricación más grandes para perovskitas han estado tratando de resolver el problema de cómo hacer que las películas sean más homogéneas, pero ahora podemos mostrarles que en realidad un simple proceso de impresión de inyección de tinta podría hacer un mejor trabajo, "dijo Feldmann.

"La belleza del estudio radica realmente en el descubrimiento contradictorio de que fácil de hacer no significa que el material será peor, pero en realidad puede ser mejor ".

"Ahora es un desafío emocionante encontrar las condiciones de fabricación que creen el desorden óptimo en los materiales para lograr la máxima eficiencia, conservando las propiedades estructurales necesarias para aplicaciones específicas, "dijo Deschler.

"Si podemos aprender a controlar el trastorno con mayor precisión, Podríamos esperar más mejoras en el rendimiento de las células solares o LED, e incluso ir más allá del silicio con células solares en tándem personalizadas que comprenden dos capas de perovskita de diferentes colores que juntas pueden recolectar incluso más energía del sol que una sola capa. "dijo el Dr. Sam Stranks, Profesor universitario de Energía en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge y en el Laboratorio Cavendish.

Otra limitación de los materiales de perovskita es su sensibilidad a la humedad, por lo que los grupos también están investigando formas de mejorar su estabilidad.

"Todavía queda trabajo por hacer para que duren en los tejados como lo hace el silicio, pero soy optimista, "dijo Stranks.