Investigación dirigida por un Ph.D. de la Universidad de Brown. estudiante ha revelado una nueva forma de hacer películas de perovskita absorbentes de luz para su uso en células solares.

El nuevo método implica un baño de disolvente a temperatura ambiente para crear cristales de perovskita, en lugar de la ráfaga de calor utilizada en los métodos de cristalización actuales. Un estudio publicado en la Royal Society of Chemistry Revista de Química de Materiales A muestra que la técnica produce películas cristalinas de alta calidad con un control preciso sobre el espesor en grandes áreas, y podría señalar el camino hacia métodos de producción masiva de células de perovskita.

Perovskitas, una clase de materiales cristalinos, han causado un gran revuelo en el mundo de las energías limpias. Las películas de perovskita son excelentes absorbentes de luz y son mucho más baratas de fabricar que las obleas de silicio utilizadas en las células solares estándar. La eficiencia de las células de perovskita, el porcentaje de luz solar convertida en electricidad, ha aumentado a un ritmo asombroso en solo unos pocos años. Las primeras células de perovskita introducidas en 2009 lograron una eficiencia de solo alrededor del 4 por ciento, muy lejos de la eficiencia del 25 por ciento de la que se jactan las células de silicio estándar. Pero el año pasado Se había certificado que las células de perovskita tenían una eficiencia superior al 20 por ciento. Esa rápida mejora en el rendimiento es prometedora, y los investigadores se apresuran a empezar a utilizar células de perovskita en productos comerciales.

Hay varias formas diferentes de hacer las películas, pero casi todos requieren calor. Los productos químicos precursores de perovskita se disuelven en una solución, que luego se recubre sobre un sustrato. Se aplica calor para eliminar el disolvente, dejando que los cristales de perovskita formen una película a través del sustrato.

"La gente ha hecho buenas películas en áreas relativamente pequeñas, una fracción de un centímetro cuadrado. Pero han tenido que ir a temperaturas de 100 a 150 grados Celsius, y ese proceso de calentamiento causa una serie de problemas, "dijo Nitin Padture, profesor de ingeniería y director del Instituto de Innovación Molecular y Nanoescala.

Por ejemplo, los cristales a menudo se forman de manera desigual cuando se tratan térmicamente, dejando pequeños agujeros en la película. En una celda solar esos poros pueden reducir la eficiencia. El calor también limita los sustratos sobre los que se pueden depositar las películas. Sustratos plásticos flexibles, por ejemplo, no se pueden utilizar porque se dañan con las altas temperaturas.

Yuanyuan Zhou, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Padture, quería ver si había una manera de hacer películas delgadas de cristal de perovskita sin tener que aplicar calor. Se le ocurrió lo que se conoce como un enfoque de extracción por solvente-solvente (SSE).

En su método, Los precursores de perovskita se disuelven en un disolvente llamado NMP y se recubren sobre un sustrato. Luego, en lugar de calentar, el sustrato está bañado en éter dietílico (DEE), un segundo solvente que agarra selectivamente el solvente NMP y lo retira. Lo que queda es una película ultra suave de cristales de perovskita.

Debido a que no hay calefacción involucrada, los cristales se pueden formar en prácticamente cualquier sustrato, incluso en sustratos poliméricos sensibles al calor utilizados en la energía fotovoltaica flexible. Otra ventaja es que todo el proceso de cristalización de SSE tarda menos de dos minutos, en comparación con una hora o más para el tratamiento térmico. Eso hace que el proceso sea más adecuado para la producción en masa porque se puede realizar en un tipo de proceso de línea de montaje.

El enfoque SSE también permite fabricar películas muy delgadas manteniendo una alta calidad. Las películas estándar de perovskita tienen generalmente un espesor del orden de 300 nanómetros. Pero Zhou ha podido hacer películas de alta calidad de hasta 20 nanómetros. Las películas de SSE también podrían hacerse más grandes (varios centímetros cuadrados) sin generar poros.

"Utilizando los otros métodos, cuando el grosor desciende por debajo de los 100 nanómetros, difícilmente se puede cubrir la película por completo, "Dijo Zhou." Puedes hacer una película, pero tienes muchos poros. En nuestro proceso, puede formar la película uniformemente hasta 20 nanómetros porque la cristalización a temperatura ambiente es mucho más equilibrada y se produce inmediatamente sobre toda la película al bañarse ".

Esas películas ultrafinas son parcialmente transparentes (las películas de espesor estándar son negras y opacas), para que se puedan utilizar para hacer ventanas fotovoltaicas, dicen los investigadores. Y modificando la composición de la solución precursora de perovskita, Zhou ha podido hacer celdas de diferentes colores.

"Estos podrían potencialmente usarse para decorativos, ventanas integradas en el edificio que pueden generar energía, "Dijo Padture.

El grupo planea hacer más trabajo para refinar el proceso, pero se sienten alentados por los primeros resultados. Trabajando con científicos en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado, Las pruebas iniciales de células hechas con películas SSE mostraron una eficiencia de conversión de más del 15 por ciento. Se demostró que las células solares basadas en películas semitransparentes de 80 nanómetros fabricadas mediante el proceso tienen una mayor eficiencia que cualquier otra película ultrafina.

"Creemos que este podría ser un paso significativo hacia una variedad de productos de células de perovskita disponibles comercialmente, "Dijo Padture.