Los investigadores del Forschungszentrum Jülich descubrieron que los portadores de carga libre en las células solares de perovskita probablemente tengan una forma especial de protección contra la recombinación mediante innovadoras mediciones de fotoluminiscencia.
Las células solares de perovskita, altamente eficientes y relativamente económicas de producir, han sido objeto de repetidas sorpresas en los últimos años. Los científicos del Forschungszentrum Jülich han descubierto otra característica especial de las células utilizando una nueva técnica de medición de fotoluminiscencia.
Descubrieron que la pérdida de portadores de carga en este tipo de células sigue leyes físicas diferentes a las conocidas para la mayoría de los semiconductores. Esta puede ser una de las principales razones de su alto nivel de eficiencia. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Materials. .
Las células solares de perovskita se consideran muy prometedoras para la energía fotovoltaica, aunque su estabilidad deja mucho que desear. Las células de este tipo son económicas de imprimir y muy eficientes. En la última década, su eficiencia se ha duplicado a más del 25% y, por tanto, actualmente está a la par de las células solares convencionales de silicio. También parece posible realizar más mejoras en el futuro.
"Un factor importante aquí es la cuestión de cuánto tiempo permanecen los portadores de carga excitados en el material, es decir, su vida útil", explica Thomas Kirchartz. "Comprender los procesos es crucial para mejorar aún más la eficiencia de las células solares basadas en perovskita". El ingeniero eléctrico dirige un grupo de trabajo sobre células solares orgánicas e híbridas en el Instituto de Investigación sobre Energía y Clima del Forschungszentrum Jülich (IEK-5).
En una célula solar, los electrones son desalojados por fotones y elevados a un nivel de energía más alto desde la banda de valencia a la banda de conducción. Sólo entonces podrán moverse más libremente y fluir a través de un circuito externo. Sólo pueden contribuir a la generación de energía eléctrica si su vida útil es lo suficientemente larga como para que puedan pasar a través del material absorbente hasta el contacto eléctrico. Un electrón excitado también deja un agujero en la banda de valencia subyacente:una vacante móvil que puede moverse a través del material como un portador de carga positiva.
Son principalmente los defectos en la red cristalina los que garantizan que los electrones excitados vuelvan a caer rápidamente a niveles de energía más bajos. Los electrones afectados ya no pueden contribuir al flujo de corriente. "Este mecanismo también se conoce como recombinación y es el principal proceso de pérdida de cada célula solar", afirma Kirchartz.
Ninguna célula solar es perfecta a nivel atómico; cada uno tiene diferentes tipos de defectos debido al proceso de fabricación. Estos defectos o átomos extraños en la estructura reticular son los puntos de recolección donde los electrones y los huecos tienden a unirse. Los electrones entonces vuelven a caer en la banda de valencia y pierden su valor en términos de generación de electricidad.
"Hasta ahora se suponía que la recombinación se desencadenaba principalmente por defectos energéticos situados en el medio entre las bandas de valencia y de conducción. Esto se debe a que estos defectos profundos son igualmente accesibles a los electrones excitados y a sus homólogos, los huecos", afirma Kirchartz. De hecho, esto probablemente sea cierto para la mayoría de los tipos de células solares.
Sin embargo, Kirchartz y su equipo han desmentido esta suposición en el caso de las células solares de perovskita y han demostrado que los defectos superficiales son, en última instancia, decisivos en términos de su eficiencia final. A diferencia de los defectos profundos, no se encuentran en el medio de la banda prohibida, sino muy cerca de la banda de valencia o conducción.
"La causa de este comportamiento inusual aún no está totalmente aclarada", añade Kirchartz. "Es razonable suponer que en estos materiales no pueden existir defectos profundos. Esta restricción también puede ser una de las razones de la eficiencia particularmente alta de las células."
La observación sólo fue posible gracias a innovadoras mediciones de fotoluminiscencia transitoria. En mediciones anteriores, no era posible distinguir los procesos de pérdida causados por defectos superficiales de aquellos causados por otros factores.
El nuevo método de medición desarrollado por Thomas Kirchartz y su equipo en Forschungszentrum Jülich proporciona datos con un rango dinámico significativamente mayor en comparación con la tecnología convencional, es decir, datos en un rango de medición más amplio y con una mejor gradación fina. El proceso se basa en un principio similar al de las imágenes HDR en calidad de alto rango dinámico. El rango dinámico de la cámara aumenta al superponer diferentes imágenes o mediciones (en este caso, señales con diferentes niveles de amplificación) para crear un conjunto de datos.
Más información: Ye Yuan et al, Defectos superficiales y tiempos de desintegración de fotoluminiscencia variables de hasta 280 µs en perovskitas de triple catión, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por Forschungszentrum Juelich
