Una nueva técnica de impresión de solución a baja temperatura permite la fabricación de células solares de perovskita de alta eficiencia con cristales grandes destinados a minimizar los límites de grano que roban la corriente. La técnica de impresión de solución asistida por menisco MASP aumenta la eficiencia de conversión de energía a casi un 20 por ciento encontrolando el tamaño y la orientación del cristal.
El proceso, que utiliza placas paralelas para crear un menisco de tinta que contiene los precursores de perovskita de haluro metálico, podría ampliarse rápidamente para generar grandes áreas de película cristalina densa en una variedad de sustratos, incluidos polímeros flexibles. Parámetros operativos para la fabricaciónEl proceso se eligió mediante el uso de un estudio cinético detallado de los cristales de perovskita observados a lo largo de su ciclo de formación y crecimiento.
"Utilizamos una técnica de impresión de solución asistida por menisco a baja temperatura para fabricar películas de perovskita de alta calidad con un rendimiento optoelectrónico muy mejorado", dijo Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia ".Comenzamos desarrollando una comprensión detallada de la cinética del crecimiento de cristales que nos permitió saber cómo se deben ajustar los parámetros preparativos para optimizar la fabricación de las películas ".
La nueva técnica se informa el 7 de julio en la revista Comunicaciones de la naturaleza . La investigación ha sido apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea AFOSR y la National Science Foundation NSF.
Las perovskitas ofrecen una alternativa atractiva a los materiales tradicionales para capturar electricidad de la luz, pero las técnicas de fabricación existentes generalmente producen pequeños granos cristalinos cuyos límites pueden atrapar los electrones producidos cuando los fotones golpean los materiales. Las técnicas de producción existentes para preparar películas de perovskita de gran grano generalmente requierentemperaturas más altas, lo que no es favorable para los materiales poliméricos utilizados como sustratos, lo que podría ayudar a reducir los costos de fabricación y permitir células solares de perovskita flexibles.
So Lin, el científico investigador Ming He y sus colegas decidieron probar un nuevo enfoque que se basa en la acción capilar para extraer la tinta de perovskita en un menisco formado entre dos placas casi paralelas separadas aproximadamente 300 micras. La placa inferior se mueve continuamente, permitiendo que el solvente se evaporeen el borde del menisco para formar perovskita cristalina. A medida que se forman los cristales, se introduce tinta fresca en el menisco mediante el mismo proceso físico que forma un anillo de café en una superficie absorbente como el papel.
"Debido a que la evaporación del solvente desencadena el transporte de precursores desde adentro hacia afuera, los precursores de perovskita se acumulan en el borde del menisco y forman una fase saturada", explicó Lin. "Esta fase saturada conduce a la nucleación y al crecimiento de los cristales.Sobre un área grande, vemos una película plana y uniforme que tiene alta cristalinidad y crecimiento denso de cristales grandes ".
Para establecer la velocidad óptima para mover las placas, la distancia entre las placas y la temperatura aplicada a la placa inferior, los investigadores estudiaron el crecimiento de los cristales de perovskita durante la MASP. Descubrieron el uso de películas tomadas a través de un microscopio óptico para controlar los granos.que los cristales crecen primero a una velocidad cuadrática, pero disminuyen a una velocidad lineal cuando comienzan a afectar a sus vecinos.
"Cuando los cristales se topan con sus vecinos, eso afecta su crecimiento", señaló He. "Descubrimos que todos los granos que estudiamos siguieron una dinámica de crecimiento similar y se convirtieron en una película continua en el sustrato".
El proceso MASP genera cristales relativamente grandes, de 20 a 80 micras de diámetro, que cubren la superficie del sustrato. Tener una estructura densa con menos cristales minimiza los espacios que pueden interrumpir el flujo de corriente y reduce la cantidad de límites que puedenatrapar electrones y agujeros y permitir que se recombinen.
Utilizando películas producidas con el proceso MASP, los investigadores han construido células solares que tienen una eficiencia de conversión de energía de un promedio de 18 por ciento, con algunas tan altas como 20 por ciento. Las células se han probado con más de 100 horas de operación sin encapsulación "La estabilidad de nuestra película MASP mejora debido a la alta calidad de los cristales ", dijo Lin.
Doctor-blading es una de las técnicas convencionales de fabricación de perovskita en la que se utilizan temperaturas más altas para evaporar el disolvente. Lin y sus colegas calentaron su sustrato a solo unos 60 grados Celsius, lo que sería potencialmente compatible con los materiales de sustrato de polímero.
Hasta ahora, los investigadores han producido muestras a escala en centímetros, pero creen que el proceso podría ampliarse y aplicarse a sustratos flexibles, lo que podría facilitar el procesamiento continuo de rollo a rollo de los materiales de perovskita. Eso podría ayudar a reducir el costo deproduciendo células solares y otros dispositivos optoelectrónicos.
"La técnica de impresión de solución asistida por menisco tendría ventajas para las células solares flexibles y otras aplicaciones que requieren un proceso de fabricación continua a baja temperatura", agregó Lin. "Esperamos que el proceso pueda ampliarse para producir alto rendimiento, a gran escalapelículas de perovskita "
Entre los siguientes pasos se encuentran la fabricación de películas sobre sustratos de polímeros y la evaluación de otras propiedades únicas p. Ej., Térmicas y piezotrónicas del material.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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