Las células solares fabricadas con películas que imitan la estructura del mineral perovskita son el foco de investigación mundial. Pero solo ahora los investigadores de la Universidad Case Western Reserve han mostrado directamente que las películas tienen una propiedad clave que les permite convertir la luz solar en electricidad de manera eficiente.

Identificar ese atributo podría conducir a paneles solares más eficientes.

Los electrones generados cuando la luz incide en la película no están restringidos por los límites de los granos (los bordes de las subunidades cristalinas dentro de la película) y viajan largas distancias sin deteriorarse. los investigadores mostraron. Eso significa que los portadores de carga eléctrica que quedan atrapados y se descomponen en otros materiales están disponibles para ser extraídos como corriente.

Los científicos midieron directamente la distancia recorrida, denominada longitud de difusión, por primera vez mediante el uso de la técnica denominada "microscopía de imágenes de fotocorriente escaneada espacialmente". Longitud de difusión dentro de una película de perovskita bien orientada medida hasta 20 micrómetros.

Los resultados, publicado en la revista Nano letras , indican que las células solares podrían hacerse más gruesas sin perjudicar su eficiencia, dijo Xuan Gao, profesor asociado de física y autor del artículo.

"Una celda más gruesa puede absorber más luz, " él dijo, "potencialmente produciendo una mejor célula solar".

Eficiencia incorporada

Los investigadores de la energía solar creen que las películas de perovskita son muy prometedoras. En menos de cinco años, Las películas hechas con la estructura cristalina han superado el 20 por ciento de eficiencia en la conversión de la luz solar en electricidad. una marca que tardó décadas en alcanzarse con las células solares basadas en silicio que se utilizan en la actualidad.

En esta investigación, El laboratorio de Gao realizó mediciones de imágenes de fotocorriente escaneadas espacialmente en películas realizadas en el laboratorio del profesor de química de Case Western Reserve, Clemens Burda.

Los minerales de perovskita que se encuentran en la naturaleza son óxidos de ciertos metales, pero el laboratorio de Burda hizo películas organometálicas con la misma estructura cristalina usando tri-yoduro de plomo y metil amonio (CH3NH3PBI3), un haluro de plomo tridimensional rodeado por pequeñas moléculas orgánicas de amonio metílico que mantienen unida la estructura reticular.

"La pregunta ha sido, '¿Cómo son estas células solares tan eficientes? Si supiéramos Podríamos mejorar aún más las células solares de perovskita ", dijo Burda." La gente pensó que podría deberse a un transporte de electrones inusualmente largo, y lo medimos directamente ".

La longitud de difusión es la distancia a un electrón o su opuesto, llamado hoyo, viaja de generación en generación hasta que se recombina o se extrae como corriente eléctrica. La distancia es la misma que la longitud de transporte cuando no se aplica ningún campo eléctrico (que generalmente aumenta la distancia recorrida).

Medir el recorrido

Los laboratorios realizaron mediciones repetidas enfocando un pequeño punto de láser en películas de 8 milímetros cuadrados por 300 nanómetros de espesor. Las películas se estabilizaron revistiendo la perovskita con una capa del polímero parileno.

La luz genera electrones y huecos y la fotocorriente, o corriente de electrones, se registra entre los electrodos colocados a unas 120 micras de distancia entre sí mientras se escanea la película a lo largo de dos direcciones perpendiculares. El escaneo produce un mapa espacial bidimensional de las características de transporte y difusión del portador.

Las mediciones mostraron una longitud de difusión promedio de aproximadamente 10 micrómetros. En algunos casos, la longitud alcanzó 20 micrones, mostrando que el área funcional de la película tiene al menos 20 micrones de largo, dijeron los investigadores.

En algunos materiales, los límites de grano disminuyen la conductividad, pero las imágenes mostraron que estas interfaces entre los granos de la película no influían en el viaje de los electrones. Gao y Burda dicen que esto puede deberse a que los granos de la película están bien alineados, sin causar impedancia u otros efectos perjudiciales sobre electrones o huecos.

Burda y Gao ahora están buscando fondos federales para usar la técnica de microscopía para determinar si diferentes tamaños de grano, orientaciones, composiciones de haluro perovskita, espesores de película y más cambian las propiedades de la película, para acelerar aún más la investigación en el campo.