Las perovskitas de haluros orgánicos o inorgánicos híbridos son una clase única de materiales de células solares que rompen algunas de las reglas de diseño de materiales que han estado vigentes durante más de 30 años. Por ejemplo, pueden lograr un rendimiento extraordinariamente alto, a pesar de ser rico en defectos y desordenado a escala macroscópica.

Esta calidad desordenada está en marcado contraste con los semiconductores inorgánicos más tradicionales que se utilizan actualmente para fabricar productos electrónicos. Además, su morfología hace que sea mucho más difícil cuantificar los parámetros de transporte espacial que son esenciales para optimizar las estructuras de los dispositivos.

El rendimiento de los dispositivos semiconductores se rige fundamentalmente por la dinámica del portador de carga dentro de los materiales. Si bien muchos investigadores han intentado comprender mejor estas dinámicas, muchas preguntas quedan sin respuesta.

Por ejemplo, el transporte balístico de los portadores de carga (por ejemplo, electrones) a través de estos materiales, también conocida como propagación balística, Hasta ahora se pensaba que no desempeñaba un papel relevante en la habilitación del funcionamiento de la energía fotovoltaica (PV) y los diodos emisores de luz. Esto se debe a que esta propagación se interrumpe rápidamente después de que se generan los portadores, mediante un proceso conocido como dispersión.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Oxford ha llevado a cabo recientemente un estudio destinado a descubrir más sobre la dinámica de los portadores de carga en los materiales de perovskita. Su estudio, publicado en Física de la naturaleza , investigó específicamente la dinámica espacio-temporal de los portadores inmediatamente después de que los fotones sean absorbidos por las películas de perovskita de yoduro de metilamonio y plomo.

"Curiosamente, Los materiales híbridos de perovskitas de haluro orgánico-inorgánico también muestran una rica dinámica ultrarrápida en la escala de tiempo sub-200 fs, que ha permanecido en gran parte inexplorado hasta ahora, ", dijeron los investigadores a Phys.org, vía correo electrónico. "Por lo tanto, buscamos una sonda directa para visualizar el comportamiento de transporte del portador de carga fotoinducida en estos materiales en la escala de tiempo de femtosegundos junto con una precisión espacial nanométrica".

Para investigar la dinámica espacio-temporal de los portadores en películas de perovskita de yoduro de plomo y metilamonio, los investigadores utilizaron un microscopio óptico de resolución temporal con una resolución temporal extrema y una precisión espacial nanométrica. Utilizaron un rayo de bomba muy confinado espacialmente del orden de 200 nm para excitar el material, lo que resultó en la generación de electrones excitados solo dentro de un área pequeña de su muestra.

"Al entregar un haz de sonda ligeramente enfocado sobre el material y variando el tiempo de retardo con respecto al haz de la bomba, se puede registrar la dinámica espacial de la distribución de electrones fotogenerados, ", explicaron los investigadores." Dado que estamos comparando los cambios en la distribución a lo largo del tiempo, la precisión espacial no está limitada por el límite de difracción óptica sino por la precisión de la medición ".

La precisión espacial lograda por su microscopio óptico permitió a los investigadores distinguir la dinámica en escalas de longitud tan pequeñas como diez nanómetros dentro del material. Usando esta técnica de microscopía óptica de resolución temporal, los investigadores pudieron visualizar directamente el movimiento de los electrones, incluso en unas pocas decenas de femtosegundos.

Su estudio recopiló los primeros datos de imágenes que muestran claramente el funcionamiento de los materiales de perovskita directamente después de la absorción de fotones. Descubrieron que inmediatamente después de que se absorben los fotones, los electrones en estos materiales se mueven extremadamente rápido a una distancia sin precedentes.

"Después de grabar la película de electrones fotoexcitados, cuantificamos el ancho de la distribución de electrones en cada instantánea y registramos el desplazamiento cuadrático medio, ", dijeron los investigadores." Este análisis proporciona la movilidad de los electrones ".

Los investigadores observaron que los electrones se movían a una velocidad de 5 × 10 ⁶ Sra ^-1 más de 150 nm, que es casi el 1 por ciento de la velocidad de la luz sobre 150 nm. Esta enorme velocidad implica que en las perovskitas de haluro los electrones se mueven en forma de onda, como lo describen las teorías de la mecánica cuántica que predicen la dualidad onda-partícula.

"Este es un resultado muy sorprendente, ya que se ha asumido durante mucho tiempo que el comportamiento mecánico cuántico de los electrones se descompone muy rápidamente en las células solares y da paso al comportamiento `` clásico '', ", dijeron los investigadores.

Las observaciones podrían tener importantes implicaciones para el desarrollo de nuevas tecnologías, ya que, en última instancia, piden una reevaluación de las teorías actuales sobre cómo funcionan las células solares, tanto los fabricados con perovskitas como los fabricados con otros semiconductores inorgánicos. De hecho, contrariamente a la mayoría de estudios anteriores, Estos hallazgos sugieren que el comportamiento cuántico está presente en la mayoría de las células solares en funcionamiento.

"Ahora que hemos descubierto este régimen de transporte sin precedentes, comenzaremos a mirar otros materiales para ver si existe una regla de diseño universal que dicta la apariencia del transporte balístico, ", dijeron los investigadores." Si podemos establecer una conexión tan universal, bien podría resultar transformador en la forma en que pensamos sobre el diseño de células solares en el futuro ".

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