Investigadores de la Universidad de Cambridge han utilizado un conjunto de métodos de microscopía multimodal correlativos para visualizar, por primera vez, por qué los materiales de perovskita son aparentemente tan tolerantes a los defectos en su estructura. Sus hallazgos fueron publicados hoy en Nature Nanotechnology .

El material más utilizado para producir paneles solares es el silicio cristalino, pero para lograr una conversión de energía eficiente se requiere un proceso de producción intensivo en energía y lento para crear la estructura de oblea altamente ordenada requerida.

En la última década, los materiales de perovskita han surgido como alternativas prometedoras.

Las sales de plomo utilizadas para fabricarlos son mucho más abundantes y baratas de producir que el silicio cristalino, y se pueden preparar en una tinta líquida que simplemente se imprime para producir una película del material. También muestran un gran potencial para otras aplicaciones optoelectrónicas, como diodos emisores de luz (LED) de bajo consumo y detectores de rayos X.

El impresionante desempeño de las perovskitas es sorprendente. El modelo típico de un excelente semiconductor es una estructura muy ordenada, pero la variedad de diferentes elementos químicos combinados en las perovskitas crea un paisaje mucho más "desordenado".

Esta heterogeneidad provoca defectos en el material que dan lugar a 'trampas' a nanoescala, que reducen el rendimiento fotovoltaico de los dispositivos. Pero a pesar de la presencia de estos defectos, los materiales de perovskita aún muestran niveles de eficiencia comparables a sus alternativas de silicio.

De hecho, investigaciones anteriores del grupo han demostrado que la estructura desordenada puede aumentar el rendimiento de la optoelectrónica de perovskita, y su último trabajo busca explicar por qué.

Combinando una serie de nuevas técnicas de microscopía, el grupo presenta una imagen completa del panorama químico, estructural y optoelectrónico a nanoescala de estos materiales, que revela las complejas interacciones entre estos factores en competencia y, en última instancia, muestra cuál sale ganando.

"Lo que vemos es que tenemos dos formas de desorden que suceden en paralelo", explica Ph.D. estudiante Kyle Frohna, "el desorden electrónico asociado con los defectos que reducen el rendimiento, y luego el desorden químico espacial que parece mejorarlo".

"Y lo que hemos encontrado es que el desorden químico, el desorden 'bueno' en este caso, mitiga el desorden 'malo' de los defectos al canalizar los portadores de carga lejos de estas trampas en las que, de lo contrario, podrían quedar atrapados".

En colaboración con el Laboratorio Cavendish de Cambridge, la instalación de sincrotrón Diamond Light Source en Didcot y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón, los investigadores utilizaron varias técnicas microscópicas diferentes para observar las mismas regiones en la película de perovskita. Luego podrían comparar los resultados de todos estos métodos para presentar una imagen completa de lo que está sucediendo a escala nanométrica en estos nuevos materiales prometedores.

"La idea es que hagamos algo llamado microscopía multimodal, que es una forma muy elegante de decir que miramos la misma área de la muestra con múltiples microscopios diferentes y básicamente tratamos de correlacionar las propiedades que extraemos de uno con las propiedades que extraemos. de otro", dice Frohna. "Estos experimentos consumen mucho tiempo y recursos, pero las recompensas que obtienes en términos de la información que puedes obtener son excelentes".

Los hallazgos permitirán al grupo y a otros en el campo refinar aún más cómo se fabrican las células solares de perovskita para maximizar la eficiencia.

"Durante mucho tiempo, la gente ha usado el término tolerancia a los defectos, pero esta es la primera vez que alguien lo ha visualizado correctamente para comprender lo que realmente significa ser tolerante a los defectos en estos materiales.

"Sabiendo que estos dos trastornos en competencia se enfrentan entre sí, podemos pensar en cómo modular uno de manera efectiva para mitigar los efectos del otro de la manera más beneficiosa".

"En términos de la novedad del enfoque experimental, hemos seguido una estrategia de microscopía multimodal correlativa, pero no solo eso, cada técnica independiente es innovadora por sí misma", dice Miguel Anaya, investigador de la Real Academia de Ingeniería en el Departamento de Química de Cambridge. Ingeniería y Biotecnología

"Hemos visualizado y dado razones por las que podemos llamar a estos materiales tolerantes a defectos. Esta metodología permite nuevas rutas para optimizarlos a nanoescala para, en última instancia, funcionar mejor para una aplicación específica. Ahora, podemos ver otros tipos de perovskitas que son no solo es bueno para las células solares, sino también para los LED o detectores y comprender sus principios de funcionamiento.

"Aún más importante, el conjunto de herramientas de adquisición que hemos desarrollado en este trabajo se puede ampliar para estudiar cualquier otro material optoelectrónico, algo que puede ser de gran interés para la comunidad científica de materiales en general".

"A través de estas visualizaciones, ahora comprendemos mucho mejor el panorama a nanoescala en estos fascinantes semiconductores:lo bueno, lo malo y lo feo", dice Sam Stranks, profesor asistente de la Universidad de Energía en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge.

"Estos resultados explican cómo la optimización empírica de estos materiales por parte del campo ha llevado a estas perovskitas de composición mixta a rendimientos tan altos. Pero también ha revelado planos para el diseño de nuevos semiconductores que pueden tener atributos similares, donde el desorden puede explotarse para adaptar el rendimiento. ." + Explora más

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