En los últimos años, las perovskitas han arrasado con la industria de las células solares. Son baratas, fáciles de producir y muy flexibles en sus aplicaciones. Su eficiencia para convertir la luz en electricidad ha crecido más rápido que la de cualquier otro material, desde abajocuatro por ciento en 2009 a más del 20 por ciento en 2017, y algunos expertos creen que las perovskitas eventualmente podrían superar el material de células solares más común, el silicio. Pero a pesar de su popularidad, los investigadores no saben por qué las perovskitas son tan eficientes.
Ahora, los experimentos con una poderosa "cámara de electrones" en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han descubierto que la luz hace girar átomos alrededor de las perovskitas, lo que podría explicar la alta eficiencia de estos materiales de células solares de próxima generación y proporcionar pistas para hacer mejores.
"Hemos dado un paso para resolver el misterio", dijo Aaron Lindenberg, del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford SIMES y el Instituto PULSE de Stanford para ciencia ultrarrápida, que son operados conjuntamente por la Universidad de Stanford y SLAC ".Grabamos películas que muestran que ciertos átomos en una perovskita responden a la luz en billonésimas de segundo de una manera muy inusual. Esto puede facilitar el transporte de cargas eléctricas a través del material y aumentar su eficiencia ".
El estudio fue publicado hoy en Avances científicos .
La luz establece la estructura atómica en movimiento
Cuando la luz brilla sobre un material de células solares, su energía desplaza algunos de los electrones cargados negativamente del material. Esto deja atrás "agujeros de electrones" con una carga positiva donde se ubicaron originalmente los electrones. Los electrones y los agujeros migran a lados opuestos del material, creando un voltaje que puede usarse para alimentar dispositivos eléctricos.
La eficiencia de una célula solar depende de cuán libremente se puedan mover los electrones y los agujeros en el material. Su movilidad, a su vez, depende de la estructura atómica del material. En las células solares de silicio, por ejemplo, los átomos de silicio se alinean de manera muy ordenada en el interiorcristales e incluso los defectos estructurales más pequeños reducen la capacidad del material para recolectar luz de manera eficiente.
Como resultado, los cristales de silicio deben cultivarse en procedimientos costosos y de varios pasos en condiciones extremadamente limpias. En contraste, "las perovskitas se producen fácilmente al mezclar productos químicos en un solvente, que se evapora para dejar una película muy delgada de material de perovskita", dijoXiaoxi Wu, autor principal del estudio de SIMES en SLAC. "Un procesamiento más simple significa menores costos. A diferencia de las células solares de silicio, las películas delgadas de perovskita también son livianas y flexibles y se pueden aplicar fácilmente a prácticamente cualquier superficie".
¿Pero qué es exactamente acerca de las perovskitas que les permite a algunas de ellas cosechar luz de manera muy eficiente? Los científicos piensan que una de las claves es cómo se mueven sus átomos en respuesta a la luz.
Para obtener más información, Wu y sus colegas estudiaron estos movimientos en un material prototipo hecho de yodo, plomo y una molécula orgánica llamada metilamonio. Los átomos de yodo están dispuestos en octoedros, estructuras de ocho lados que parecen dos pirámides unidas ensus bases. Los átomos de plomo se ubican dentro del octoedro y las moléculas de metilamonio se ubican entre los octoedros ver el diagrama a continuación. Esta arquitectura es común a muchas de las perovskitas investigadas para aplicaciones de células solares.
"Los estudios anteriores han explorado principalmente el papel de los iones de metilamonio y sus movimientos en el transporte de carga eléctrica a través del material", dijo Wu. "Sin embargo, hemos descubierto que la luz causa grandes deformaciones en la red de átomos de plomo y yodo quepodría ser crucial para la eficiencia de las perovskitas "
Distorsiones inusuales pueden mejorar la eficiencia
En el Área de prueba de la estructura del acelerador ASTA de SLAC, los investigadores primero golpearon una película de perovskita, de menos de dos millonésimas de pulgada de grosor, con un pulso láser de 40 femtosegundos. Un femtosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo.Para determinar la respuesta atómica, enviaron un pulso de 300 femtosegundos de electrones altamente energéticos a través del material y observaron cómo se desviaban los electrones en la película. Esta técnica, llamada difracción de electrones ultrarrápida UED, les permitió reconstruir la estructura atómica.
"Al repetir el experimento con diferentes retrasos de tiempo entre los dos pulsos, obtuvimos una película stop-motion de los movimientos de los átomos de plomo y yodo después del golpe de luz", dijo la coautora Xijie Wang, científica principal de SLAC para UED."El método es similar a tomar una serie de instantáneas de rayos X ultrarrápidas, pero los electrones nos dan señales mucho más fuertes para muestras delgadas y son menos destructivas".
El equipo esperaba que el pulso de luz afectara a los átomos de manera uniforme en todas las direcciones, haciendo que se muevan alrededor de sus posiciones originales.
"Pero eso no fue lo que sucedió", dijo Lindenberg. "Dentro de las 10 billonésimas de segundo después del pulso láser, los átomos de yodo giraron alrededor de cada átomo de plomo como si se movieran en la superficie de una esfera con el átomo de plomo en elcentro, cambiando cada octaedro de una forma regular a una distorsionada "
Las sorprendentes deformaciones fueron de larga duración e inesperadamente grandes, similares en tamaño a las observadas en los cristales en fusión.
"Este movimiento podría alterar la forma en que se mueven las cargas", dijo Wu. "Esta respuesta a la luz podría mejorar la eficiencia, por ejemplo, permitiendo que las cargas eléctricas migren a través de defectos y protegiéndolas de ser atrapadas en el material".
"Los resultados del grupo Lindenberg proporcionan información fascinante por primera vez sobre las propiedades de las perovskitas híbridas que utilizan la difracción de electrones ultrarrápida como una herramienta única", según Felix Deschler, experto en el campo de la física inducida por la luz de materiales novedosos yun investigador en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.
"El conocimiento sobre el movimiento atómico detallado después de la fotoexcitación produce nueva información sobre su rendimiento y puede proporcionar nuevas pautas para el desarrollo del material"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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