Los ingenieros de la Universidad de Rice han logrado un nuevo punto de referencia en el diseño de células solares atómicamente delgadas hechas de perovskitas semiconductoras, lo que aumenta su eficiencia y conserva su capacidad para hacer frente al medio ambiente.

El laboratorio de Aditya Mohite de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice descubrió que la propia luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso a menudo es difícil. medido en fracciones de un porcentaje.

"En 10 años, la eficiencia de las perovskitas se ha disparado de alrededor del 3 % a más del 25 %", dijo Mohite. "Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar. Por eso estamos tan emocionados".

La investigación aparece en Nature Nanotechnology .

Las perovskitas son compuestos que tienen redes cristalinas en forma de cubo y son recolectores de luz altamente eficientes. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un enigma:son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz solar y la humedad los degradan.

"Se espera que una tecnología de células solares funcione durante 20 a 25 años", dijo Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. "Hemos estado trabajando durante muchos años y continuamos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. Por el contrario, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para colocarlas en un techo.

"El gran problema ha sido hacerlos eficientes sin comprometer la estabilidad", dijo.

Los ingenieros de Rice y sus colaboradores en las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. en Los Alamos, Argonne y Brookhaven y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, la luz solar se contrae de manera efectiva. el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad para transportar una corriente.

"Encontramos que cuando enciendes el material, lo aprietas como una esponja y unes las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección", dijo Mohite. Los investigadores encontraron que colocar una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la parte inferior mejoró las interacciones entre las capas.

"Este trabajo tiene implicaciones significativas para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la carga negativa se encuentra en la otra y pueden comunicarse entre sí", dijo Mohite. "Estos se llaman excitones, que pueden tener propiedades únicas.

"Este efecto nos ha brindado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales entre la luz y la materia sin crear heteroestructuras complejas como los dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados", dijo.

Los experimentos fueron confirmados por modelos de computadora por colegas en Francia. "Este estudio ofreció una oportunidad única para combinar técnicas de simulación ab initio de última generación, investigaciones de materiales utilizando instalaciones nacionales de sincrotrón a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento", dijo Jacky Even, profesor de física en INSA. "El documento describe por primera vez cómo un fenómeno de percolación libera repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita".

Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar a la intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4 % a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1 % de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en 1 minuto bajo una intensidad de cinco soles.

"No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espacio de la red induce una gran mejora en el flujo de electrones", dijo Wenbin Li, estudiante graduado de Rice y coautor principal. "Nuestra investigación muestra un aumento triple en la conducción de electrones del material".

Al mismo tiempo, la naturaleza de la red hizo que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados Celsius (176 grados Fahrenheit). Los investigadores también encontraron que la red se relajó rápidamente y volvió a su configuración normal una vez que se apagó la luz.

"Una de las principales atracciones de las perovskitas 2D es que suelen tener átomos orgánicos que actúan como barreras contra la humedad, son térmicamente estables y resuelven los problemas de migración de iones", dijo el estudiante graduado y coautor principal Siraj Sidhik. "Las perovskitas 3D son propensas a la inestabilidad de la luz y el calor, por lo que los investigadores comenzaron a colocar capas 2D encima de las perovskitas a granel para ver si podían obtener lo mejor de ambas.

"Pensamos, pasemos solo a 2D y hagámoslo eficiente", dijo.

Para observar la contracción del material en acción, el equipo hizo uso de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE):la fuente de luz de sincrotrón nacional II en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE y la fuente de fotones avanzados (APS) en el Argonne National del DOE. Laboratorio.

El físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, usó los rayos X ultrabrillantes del APS para capturar cambios estructurales minúsculos en el material en tiempo real. Los instrumentos sensibles en la línea de luz 8-ID-E del APS permiten estudios de "operando", es decir, aquellos realizados mientras el dispositivo experimenta cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de funcionamiento. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la celda solar a la luz solar simulada mientras mantenían la temperatura constante y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.

Como experimento de control, Strzalka y sus coautores también mantuvieron la habitación a oscuras y elevaron la temperatura, observando el efecto contrario:una expansión del material. Esto demostró que fue la luz en sí misma, no el calor que generó, lo que causó la transformación.

"Para cambios como este, es importante hacer estudios de operando", dijo Strzalka. "De la misma manera que su mecánico quiere hacer funcionar su motor para ver qué sucede dentro de él, queremos esencialmente tomar un video de esta transformación en lugar de una sola instantánea. Las instalaciones como el APS nos permiten hacer eso".

Strzalka señaló que el APS se encuentra en medio de una importante actualización que aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces. Cuando esté completo, dijo, los rayos más brillantes y los detectores más rápidos y nítidos mejorarán la capacidad de los científicos para detectar estos cambios con aún más sensibilidad.

Eso podría ayudar al equipo de Rice a modificar los materiales para un rendimiento aún mejor. "Estamos en camino de obtener una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de cationes e interfaces", dijo Sidhik. "Cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces la gente comenzaría a usar perovskitas 2D para tándems de perovskita/silicio 2D y perovskita 2D/3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%. Eso lo haría atractivo para la comercialización". /P>

Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Jin Hou, Hao Zhang y Austin Fehr, el estudiante universitario Joseph Essman, el estudiante de intercambio Yafei Wang y el coautor correspondiente Jean-Christophe Blancon, científico principal en el laboratorio de Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan del INSA; Reza Asadpour y Muhammad Alam de Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos y Mercouri Kanatzidis de Northwestern; Jared Crochet de Los Alamos y Esther Tsai de Brookhaven. + Explora más

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