Las personas pueden ser buenas para ocultar la tensión, y no estamos solos. Las células solares tienen el mismo talento. Para una célula solar, la tensión física dentro de su estructura cristalina microscópica puede interrumpir su función central, convirtiendo la luz solar en electricidadesencialmente "perdiendo" energía como calor. Para un tipo emergente de célula solar, conocida como perovskitas de haluro de plomo, reducir y domesticar esta pérdida es clave para mejorar la eficiencia y poner a las perovskitas a la par con las células solares de silicio actuales.
Para comprender dónde se acumula la tensión dentro de una célula solar y desencadena la pérdida de energía, los científicos deben visualizar la estructura de grano subyacente de los cristales de perovskita dentro de la célula solar. Pero el mejor enfoque consiste en bombardear la célula solar con electrones de alta energía,que esencialmente quema la célula solar y la vuelve inútil.
Investigadores de la Universidad de Washington y el Instituto FOM de Física Atómica y Molecular en los Países Bajos han desarrollado una forma de iluminar la tensión en las células solares de perovskita de haluro de plomo sin dañarlas. Su enfoque, publicado en línea el 10 de septiembre julio , logró obtener imágenes de la estructura de grano de una célula solar de perovskita, mostrando que la desorientación entre los cristales microscópicos de perovskita es el principal contribuyente a la acumulación de tensión dentro de la célula solar. La desorientación de los cristales crea defectos a pequeña escala en la estructura del grano, que interrumpenEl transporte de electrones dentro de la célula solar y conducir a la pérdida de calor a través de un proceso conocido como recombinación no radiativa.
"Al combinar nuestra imagen óptica con el nuevo detector de electrones desarrollado en FOM, podemos ver cómo los cristales individuales están orientados y unidos dentro de una célula solar de perovskita", dijo el autor principal David Ginger, profesor de química y jefe de la UWcientífico del Instituto de Energía Limpia con sede en la Universidad de Washington. "Podemos demostrar que la tensión se acumula debido a la orientación del grano, que es información que los investigadores pueden usar para mejorar la síntesis de perovskita y los procesos de fabricación para obtener mejores células solares con una tensión mínima, y por lo tanto mínimapérdida de calor debido a la recombinación no radiativa "
Las perovskitas de haluro de plomo son compuestos cristalinos baratos e imprimibles que se muestran prometedores como alternativas de bajo costo, adaptables y eficientes a las células solares de silicio o arseniuro de galio que se usan ampliamente hoy en día. Pero incluso las mejores células solares de perovskita pierden algo de electricidad como calor aubicaciones microscópicas dispersas por la celda, lo que amortigua la eficiencia.
Los científicos han utilizado durante mucho tiempo la microscopía de fluorescencia para identificar las ubicaciones en la superficie de las células solares de perovskita que reducen la eficiencia. Pero para identificar las ubicaciones de los defectos que causan la pérdida de calor, los investigadores necesitan obtener una imagen de la verdadera estructura de grano de la película, según el primer autorSarthak Jariwala, estudiante de doctorado de la UW en ciencias e ingeniería de materiales y becario graduado del Instituto de Energía Limpia.
"Históricamente, la obtención de imágenes de la estructura de grano real subyacente de la célula solar no ha sido posible sin dañar la célula solar", dijo Jariwala.
Los enfoques típicos para ver la estructura interna utilizan una forma de microscopía electrónica llamada difracción de retrodispersión de electrones, que normalmente quemaría la célula solar. Pero los científicos del Instituto FOM de Física Atómica y Molecular, dirigido por los coautores Erik Garnett y Bruno Ehrler, desarrolló un detector mejorado que puede capturar imágenes de difracción de retrodispersión de electrones en tiempos de exposición más bajos, preservando la estructura de la célula solar.
Las imágenes de las células solares de perovskita del laboratorio de Ginger revelan una estructura de grano que se asemeja a un lecho seco del lago, con "grietas" que representan los límites entre miles de granos de perovskita individuales. Utilizando estos datos de imágenes, los investigadores pudieron por primera vez mapear el 3Dorientación de los cristales dentro de una célula solar de perovskita en funcionamiento. También podrían determinar dónde se produce la desalineación entre los cristales.
Cuando los investigadores superpusieron imágenes de la estructura de granos de la perovskita con centros de recombinación no radiativa, que Jariwala tomó imágenes mediante microscopía de fluorescencia, descubrieron que la recombinación no radiativa también podría ocurrir fuera de los límites visibles.
"Creemos que la cepa deforma localmente la estructura de la perovskita y causa defectos", dijo Ginger. "Estos defectos pueden interrumpir el transporte de corriente eléctrica dentro de la célula solar, causando recombinación no radiativa, incluso en otras partes de la superficie".
Si bien el equipo de Ginger ha desarrollado previamente métodos para "curar" algunos de estos defectos que sirven como centros de recombinación no radiativa en las células solares de perovskita, idealmente a los investigadores les gustaría desarrollar métodos de síntesis de perovskita que reduzcan o eliminen por completo la recombinación no radiativa.
"Ahora podemos explorar estrategias como controlar el tamaño de grano y la orientación de la propagación durante el proceso de síntesis de perovskita", dijo Ginger. "Esas podrían ser rutas para reducir la desorientación y la tensión, y evitar que se formen defectos en primer lugar".
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Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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