Originalmente un mineral, la perovskita utilizada en la tecnología actual es bastante diferente de la roca que se encuentra en el manto de la Tierra. Una "estructura de perovskita" utiliza una combinación diferente de átomos, pero mantiene la estructura tridimensional general observada originalmente en el mineral, queposee excelentes propiedades optoelectrónicas como una fuerte absorción de luz y un transporte de carga facilitado. Estas ventajas califican a la estructura de perovskita como particularmente adecuada para el diseño de dispositivos electrónicos, desde células solares hasta luces.
El progreso acelerado en la tecnología de perovskita en los últimos años sugiere que los nuevos dispositivos basados en perovskita pronto superarán a la tecnología actual en el sector energético. La Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de la Superficie en OIST dirigida por el Prof. Yabing Qi está a la vanguardia de estodesarrollo, con ahora dos nuevas publicaciones científicas centradas en la mejora de las células solares de perovskita y una forma más barata e inteligente de producir luces LED emergentes basadas en perovskita.
Una capa extra en un "emparedado" de células solares
Las células solares basadas en perovskita es un pronóstico tecnológico en alza para reemplazar las células fotovoltaicas clásicas que actualmente dominan la industria. En solo siete años de desarrollo, la eficiencia de las células solares de perovskita aumentó a casi rival, y se espera que pronto supere.células fotovoltaicas comerciales, pero la estructura de la perovskita todavía está plagada de una corta vida útil debido a problemas de estabilidad.Los científicos de OIST han hecho pasos constantes para mejorar la estabilidad de las células, identificando los factores de degradación y brindando soluciones hacia una mejor arquitectura de células solares.
El nuevo hallazgo, publicado en el Journal of Physical Chemistry B, sugiere que las interacciones entre los componentes de la célula solar en sí son responsables de la rápida degradación del dispositivo. Más precisamente, la capa de óxido de titanio que extrae electrones disponibles a través de la energía solar -crear eficazmente una corriente eléctrica: provoca un deterioro no deseado de la capa de perovskita vecina Imagine la célula solar como un sándwich club de varias capas: si no se ensambla adecuadamente, las verduras frescas y jugosas en contacto con las rebanadas de pan harán que el pan esté muy empapadoen cuestión de horas, pero si agrega una capa de jamón o pavo entre las verduras y el pan, su emparedado se mantendrá crujiente todo el día en el refrigerador del comedor.
Esto es exactamente lo que lograron los investigadores de OIST: insertaron en la célula solar una capa adicional hecha de un polímero para evitar el contacto directo entre el óxido de titanio y las capas de perovskita. Esta capa de polímero es aislante pero muy delgada, lo que significa que permiteSin embargo, el túnel de corriente de electrones no disminuye la eficiencia general de la célula solar, al tiempo que protege eficazmente la estructura de la perovskita.
"Añadimos una lámina muy delgada, de unos pocos nanómetros de ancho, de poliestireno entre la capa de perovskita y la capa de óxido de titanio", explicó el Dr. Longbin Qiu. "Los electrones aún pueden atravesar en túnel esta nueva capa y no afecta elabsorción de luz de la celda. De esta manera, pudimos extender la vida útil de la celda cuatro veces sin pérdida en la eficiencia de conversión de energía ".
La vida útil del nuevo dispositivo de perovskita se extendió a más de 250 horas; todavía no es suficiente para competir con las células fotovoltaicas comerciales con respecto a la estabilidad, pero es un paso importante hacia las células solares de perovskita completamente funcionales.
Fabricación de luces LED a partir de gases
Las propiedades electrónicas bipolares de la estructura de perovskita no solo les confieren la capacidad de generar electricidad a partir de la energía solar, sino que también pueden convertir la electricidad en luz vívida. Diodo emisor de luz - LED - tecnología, omnipresente en nuestra vida diaria desde la computadora portátil yLas pantallas de los teléfonos inteligentes para las luces de los automóviles y los tubos del techo, actualmente se basan en semiconductores que son difíciles y costosos de fabricar. Se prevé que los LED de perovskita se conviertan en el nuevo estándar de la industria en el futuro cercano debido al menor costo y su eficiencia para convertir la energía en luzAdemás, al cambiar la composición atómica en la estructura de perovskita, el LED de perovskita se puede ajustar fácilmente para emitir colores específicos.
La fabricación de estos LED de perovskita se basa actualmente en sumergir o cubrir la superficie objetivo con productos químicos líquidos, un proceso que es difícil de configurar, limitado a áreas pequeñas y con baja consistencia entre las muestras. Para superar este problema, informaron investigadores de OIST enel Revista de Cartas de Química Física el primer LED de perovskita ensamblado con gases, un proceso llamado deposición química de vapor o CVD.
"La deposición química de vapor ya es compatible con la industria, por lo que, en principio, sería fácil usar esta tecnología para producir LED", comentó el profesor Yabing Qi. "La segunda ventaja en el uso de CVD es una variación mucho menor de un lote a otro".lote en comparación con las técnicas basadas en líquidos. Finalmente, el último punto es la escalabilidad: CVD puede lograr una superficie uniforme en áreas muy grandes ".
Al igual que la célula solar, el LED de perovskita también comprende muchas capas que funcionan en sinergia. Primero, una lámina de vidrio de óxido de estaño y una capa de polímero permite la entrada de electrones en el LED. Los productos químicos necesarios para la capa de perovskita: bromuro de plomo y bromuro de metilamonio- luego se unen sucesivamente a la muestra utilizando CVD, en el que la muestra se expone a gases para convertirla en perovskita en lugar de procesos de recubrimiento de solución con líquido. En este proceso, la capa de perovskita está compuesta de granos nanométricos pequeños, cuyos tamaños juegan un papel crítico en la eficiencia del dispositivo. Finalmente, el último paso consiste en la deposición de dos capas adicionales y un electrodo de oro, formando una estructura LED completa. El LED puede incluso formar patrones específicos utilizando la litografía durante el proceso de fabricación.
"Con los granos grandes, la superficie del LED es rugosa y menos eficiente en la emisión de luz. Cuanto más pequeño es el tamaño del grano, mayor es la eficiencia y más brillante es la luz", explicó el Dr. Lingqiang Meng. "Al cambiar la temperatura de montaje, ahora podemos controlar el proceso de crecimiento y el tamaño de los granos para obtener la mejor eficiencia ".
Controlar el tamaño de grano no es el único desafío para esta técnica de ensamblaje de luces LED, la primera de su clase.
"Perovskita es excelente, pero la elección en las capas adyacentes también es muy importante", agregó el Dr. Luis K. Ono. "Para lograr altas tasas de conversión de electricidad a luz, cada capa debe funcionar en armonía con las demás"
El resultado es un LED de película flexible y gruesa con un patrón personalizable. La luminancia, o brillo, actualmente alcanza 560 cd / m2, mientras que una pantalla de computadora típica emite de 100 a 1000 cd / m2 y un tubo fluorescente de techo alrededor de 12,000cd / m 2 .
"Nuestro siguiente paso es mejorar la luminancia mil veces o más", concluyó el Dr. Meng. "Además, hemos logrado un LED basado en CVD que emite luz verde, pero ahora estamos tratando de repetir el proceso con diferentescombinaciones de perovskita para obtener una vívida luz azul o roja "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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