Los nanoingenieros de UC San Diego desarrollaron un nuevo método para fabricar perovskitas como películas delgadas de cristal único, que son más eficientes para su uso en células solares y dispositivos ópticos que las formas policristalinas del estado de la técnica actual del material.

Su método de fabricación, que utiliza procesos de fabricación de semiconductores estándar, da como resultado películas de perovskita monocristalinas flexibles con área controlada, espesor, y composición. Estas películas de monocristal mostraron menos defectos, mayor eficiencia, y mayor estabilidad que sus homólogos policristalinos, que podría conducir al uso de perovskitas en células solares, LEDs, y fotodetectores.

Los investigadores del laboratorio de nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs del profesor Sheng Xu publicaron sus hallazgos el 29 de julio en Naturaleza .

"Nuestro objetivo era superar los desafíos en la realización de dispositivos de perovskita de cristal único", dijo Yusheng Lei, estudiante de posgrado en nanoingeniería y primer autor del artículo. "Nuestro método es el primero que puede controlar con precisión el crecimiento y la fabricación de dispositivos monocristalinos con alta eficiencia. El método no requiere equipos o técnicas sofisticadas; todo el proceso se basa en la fabricación tradicional de semiconductores, indicando además su compatibilidad con los procedimientos industriales existentes ".

Las perovskitas son una clase de materiales semiconductores con una estructura cristalina específica que demuestran intrigantes propiedades electrónicas y optoelectrónicas. que hacen que las perovskitas sean atractivas para su uso en dispositivos que canalizan, detectar, o están controlados por luz:células solares, fibra óptica para comunicación, o dispositivos basados ​​en LED, por ejemplo.

"En la actualidad, Casi todos los enfoques de fabricación de perovskita se centran en estructuras policristalinas, ya que son más fáciles de producir, aunque sus propiedades y estabilidad son menos sobresalientes que las estructuras monocristalinas ", dijo Yimu Chen, estudiante de posgrado en nanoingeniería y coautor del artículo.

El control de la forma y composición de las perovskitas monocristalinas durante la fabricación ha sido difícil. El método inventado en el laboratorio de Xu pudo superar este obstáculo aprovechando los procesos de fabricación de semiconductores existentes, incluida la litografía.

"Los dispositivos electrónicos modernos, como su teléfono celular, ordenadores, y los satélites se basan en películas delgadas de cristal único de materiales como el silicio, nitruro de galio, y arseniuro de galio, "dijo Xu." Los monocristales tienen menos defectos, y, por tanto, un mejor rendimiento del transporte electrónico, que los policristales. Estos materiales deben estar en películas delgadas para su integración con otros componentes del dispositivo, y que el proceso de integración debe ser escalable, bajo costo, e idealmente compatible con los estándares industriales existentes. Eso había sido un desafío con las perovskitas ".

En 2018, El equipo de Xu fue el primero en integrar con éxito perovskitas en el proceso de litografía estándar industrial; un reto, dado que la litografía involucra agua, a las que son sensibles las perovskitas. Resolvieron este problema agregando una capa de protección de polímero a las perovskitas seguido de un grabado en seco de la capa de protección durante la fabricación. En esta nueva investigación, Los ingenieros desarrollaron una forma de controlar el crecimiento de las perovskitas a nivel de monocristal mediante el diseño de un patrón de máscara de litografía que permite el control tanto en las dimensiones laterales como verticales.

En su proceso de fabricación, los investigadores utilizan la litografía para grabar un patrón de máscara en un sustrato de cristal a granel de perovskita híbrida. El diseño de la máscara proporciona un proceso visible para controlar el crecimiento de la formación de la película de cristal ultradelgada. Esta capa de cristal único se despega del sustrato de cristal a granel, y se transfiere a un sustrato arbitrario manteniendo su forma y adhesión al sustrato. Se aplica una mezcla de plomo y estaño con composición que cambia gradualmente a la solución de crecimiento, creando una banda prohibida electrónica graduada continuamente de la película delgada de cristal único.

La perovskita reside en el plano mecánico neutro intercalado entre dos capas de materiales, permitiendo que la fina película se doble. Esta flexibilidad permite que la película monocristalina se incorpore en células solares de película delgada flexible de alta eficiencia. y en dispositivos portátiles, contribuyendo al objetivo del control inalámbrico sin batería.

Su método permite a los investigadores fabricar películas delgadas de cristal único de hasta 5,5 cm por 5,5 cm cuadrados, mientras se controla el grosor de la perovskita monocristalina, que varía de 600 nanómetros a 100 micrones, así como el gradiente de composición en la dirección del grosor.

"Simplificar aún más el proceso de fabricación y mejorar el rendimiento de la transferencia son cuestiones urgentes en las que estamos trabajando, "dijo Xu." Alternativamente, si podemos reemplazar la máscara de patrón con capas de transporte de portadores funcionales para evitar el paso de transferencia, todo el rendimiento de fabricación se puede mejorar en gran medida ".

En lugar de trabajar para encontrar agentes químicos para estabilizar el uso de perovskitas policristalinas, Este estudio demuestra que es posible fabricar dispositivos monocristalinos estables y eficientes utilizando procedimientos y materiales de nanofabricación estándar. El equipo de Xu espera ampliar aún más este método para darse cuenta del potencial comercial de las perovskitas.