Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Laboratorio Berkeley han descubierto un posible secreto para aumentar drásticamente la eficiencia de las células solares de perovskita ocultas en los picos y valles a nanoescala del material cristalino.
Las células solares hechas de compuestos que tienen la estructura cristalina del mineral perovskita han capturado la imaginación de los científicos. Son económicas y fáciles de fabricar, como las células solares orgánicas. Aún más intrigante, la eficiencia con la que las células solares de perovskita convierten los fotones enLa electricidad ha aumentado más rápidamente que cualquier otro material hasta la fecha, comenzando en un tres por ciento en 2009, cuando los investigadores comenzaron a explorar las capacidades fotovoltaicas del material, hasta un 22 por ciento en la actualidad. Esto está en el estadio de la eficiencia de las células solares de silicio.
Ahora, como se informó en línea el 4 de julio de 2016 en la revista Energía natural , un equipo de científicos de la Fundición Molecular y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial, ambos en Berkeley Lab, encontraron una característica sorprendente de una célula solar de perovskita que podría explotarse para obtener eficiencias aún mayores, posiblemente hasta un 31 por ciento.
Utilizando microscopía de fuerza atómica fotoconductora, los científicos mapearon dos propiedades en la capa activa de la célula solar que se relacionan con su eficiencia fotovoltaica. Los mapas revelaron una superficie irregular compuesta de granos de aproximadamente 200 nanómetros de longitud, y cada grano tiene ángulos múltiplesfacetas como las caras de una piedra preciosa.
Inesperadamente, los científicos descubrieron una gran diferencia en la eficiencia de conversión de energía entre las facetas de los granos individuales. Encontraron facetas de bajo rendimiento adyacentes a las facetas altamente eficientes, con algunas facetas que se acercan al límite teórico de conversión de energía del material del 31 por ciento.
Los científicos dicen que estas facetas de alto rendimiento podrían guardar el secreto de las células solares altamente eficientes, aunque se necesita más investigación.
"Si el material puede sintetizarse de manera que solo se desarrollen facetas muy eficientes, entonces podríamos ver un gran salto en la eficiencia de las células solares de perovskita, posiblemente llegando al 31 por ciento", dice Sibel Leblebici, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular.
Leblebici trabaja en el laboratorio de Alexander Weber-Bargioni, autor correspondiente del artículo que describe esta investigación. Ian Sharp, también autor correspondiente, es científico de Berkeley Lab en el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial. Otro Laboratorio de BerkeleyLos científicos que contribuyeron incluyen a Linn Leppert, Francesca Toma y Jeff Neaton, director de la Fundición Molecular.
Un esfuerzo de equipo
La investigación comenzó cuando Leblebici estaba buscando un nuevo proyecto. "Pensé que las perovskitas son lo más emocionante en la energía solar en este momento, y realmente quería ver cómo funcionan en la nanoescala, que no ha sido ampliamente estudiada".dice.
No tuvo que ir muy lejos para encontrar el material. Durante los últimos dos años, los científicos del cercano Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial han estado haciendo películas delgadas de compuestos a base de perovskita y estudiando su capacidad para convertir la luz solar y el CO2en productos químicos útiles como el combustible. Al cambiar de marcha, crearon células solares de pervoskita compuestas de yoduro de metilamonio y plomo. También analizaron el rendimiento de las células a escala macro.
Los científicos también hicieron un segundo conjunto de medias celdas que no tenían una capa de electrodo. Empacaron ocho de estas células en una película delgada de un centímetro cuadrado. Estas películas se analizaron en la Fundición Molecular, donde los investigadores mapearon las células'topografía de superficie a una resolución de diez nanómetros. También mapearon dos propiedades que se relacionan con la eficiencia fotovoltaica de las células: generación de fotocorriente y voltaje de circuito abierto.
Esto se realizó utilizando una técnica de microscopía de fuerza atómica de última generación, desarrollada en colaboración con Park Systems, que utiliza una punta conductora para escanear la superficie del material. El método también elimina la fricción entre la punta y la muestra.es importante porque el material es tan áspero y blando que la fricción puede dañar la punta y la muestra, y causar artefactos en la fotocorriente.
El descubrimiento sorpresa podría conducir a mejores células solares
Los mapas resultantes revelaron una diferencia de orden de magnitud en la generación de fotocorriente, y una diferencia de 0.6 voltios en el voltaje de circuito abierto, entre las facetas del mismo grano. Además, las facetas con alta generación de fotocorriente tenían un alto voltaje de circuito abierto, y las facetas conbaja generación de fotocorriente tenía bajo voltaje de circuito abierto.
"Esto fue una gran sorpresa. Muestra, por primera vez, que las células solares de perovskita exhiben eficiencia fotovoltaica dependiente de facetas", dice Weber-Bargioni.
Agrega Toma, "Estos resultados abren la puerta a explorar nuevas formas de controlar el desarrollo de las facetas del material para aumentar drásticamente la eficiencia"
En la práctica, las facetas se comportan como miles de millones de pequeñas células solares, todas conectadas en paralelo. Como descubrieron los científicos, algunas células funcionan extremadamente bien y otras muy mal. En este escenario, la corriente fluye hacia las células malas, bajando el totalrendimiento del material. Pero si el material se puede optimizar de modo que solo las facetas altamente eficientes interactúen con el electrodo, se eliminarían las pérdidas incurridas por las facetas pobres.
"Esto significa que, a escala macro, el material podría acercarse a su límite teórico de conversión de energía del 31 por ciento", dice Sharp.
Un modelo teórico que describe los resultados experimentales predice que estas facetas también deberían afectar la emisión de luz cuando se usa como LED. Linn Leppert, Sebastian Reyes-Lillo y Jeff Neaton realizaron este trabajo en particular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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