Una colaboración multiinstitucional, codirigida por científicos de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST, ha descubierto la fuente de defectos que limitan la eficiencia en materiales potenciales para células solares de próxima generación y flexiblesLEDs.
En la última década, las perovskitas, una gama diversa de materiales con una estructura cristalina específica, han surgido como alternativas prometedoras a las células solares de silicio, ya que son más baratas y ecológicas de fabricar, al tiempo que alcanzan un nivel comparable de eficiencia.
Sin embargo, las perovskitas aún muestran pérdidas e inestabilidades de rendimiento significativas. La mayoría de las investigaciones hasta la fecha se han centrado en formas de eliminar estas pérdidas, pero sus causas físicas reales siguen siendo desconocidas.
Ahora, en un artículo publicado hoy en Naturaleza , investigadores del grupo del Dr. Sam Stranks en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología y Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, y la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del Profesor Keshav Dani en OIST en Japón, identifican la fuente del problema. Su descubrimiento podría agilizar los esfuerzos para aumentar eleficiencia de las perovskitas, acercándolas a la producción en el mercado masivo.
Cuando la luz golpea una célula solar de perovskita o cuando la electricidad pasa a través de un LED de perovskita, los electrones se excitan y pueden saltar a un estado de mayor energía. Los electrones cargados negativamente dejan espacios, llamados agujeros, que luego tienen una carga relativamente positiva.Tanto los electrones excitados como los agujeros pueden moverse a través del material de perovskita y, por lo tanto, actuar como portadores de carga.
Pero en las perovskitas, puede ocurrir un cierto tipo de defecto llamado "trampa profunda", donde los portadores de carga energizados pueden atascarse. Los electrones y agujeros atrapados se recombinan, perdiendo su energía en calor en lugar de convertirla en electricidad o luz útil,lo que reduce significativamente la eficiencia y la estabilidad de los paneles solares y LED.
Hasta ahora, se sabía muy poco sobre la causa de estas trampas, en parte porque parecen comportarse de manera bastante diferente a las trampas en los materiales tradicionales de células solares.
En 2015, el grupo del Dr. Stranks publicó a ciencia papel que analiza la luminiscencia de las perovskitas, que revela cuán buenos son para absorber o emitir luz. Descubrimos que el material era muy heterogéneo; tenías regiones bastante grandes que eran brillantes y luminiscentes, y otras regiones que eran realmente oscuras,"dijo el Dr. Stranks." Estas regiones oscuras corresponden a las pérdidas de energía en las células solares o LED. Pero lo que estaba causando la pérdida de energía siempre fue un misterio, especialmente porque las perovskitas son tan tolerantes a los defectos ".
Debido a las limitaciones de las técnicas de imagen estándar, el grupo no pudo determinar si las áreas más oscuras fueron causadas por un sitio de trampa grande o muchas trampas más pequeñas, lo que dificulta establecer por qué se formaron solo en ciertas regiones.
Más adelante en 2017, el grupo del profesor Dani en OIST publicó un artículo en Nanotecnología de la naturaleza , donde hicieron una película sobre cómo se comportan los electrones en los semiconductores después de absorber la luz. "Puede aprender mucho al ver cómo se mueven las cargas en un material o dispositivo después de la luz brillante. Por ejemplo, puede ver dónde podríanquedar atrapado ", dijo el profesor Dani." Sin embargo, estos cargos son difíciles de visualizar ya que se mueven muy rápido, en la escala de tiempo de una millonésima de billonésima de segundo, y en distancias muy cortas, en la escala de longitudde una billonésima parte de un metro.
Al enterarse del trabajo del profesor Dani, el Dr. Stranks se acercó para ver si podían trabajar juntos para abordar el problema visualizando las regiones oscuras en perovskitas.
El equipo de OIST usó una técnica llamada microscopía electrónica de fotoemisión PEEM por primera vez en perovskitas, donde probaron el material con luz ultravioleta y formaron una imagen de los electrones emitidos.
Cuando observaron el material, descubrieron que las regiones oscuras contenían trampas, de alrededor de 10-100 nanómetros de longitud, que eran grupos de sitios de trampa de menor tamaño atómico. Estos grupos de trampas se distribuyeron de manera desigual en todo el material de perovskita, explicando elluminiscencia heterogénea vista en la investigación anterior del Dr. Stranks.
Curiosamente, cuando los investigadores superpusieron imágenes de los sitios de trampa en imágenes que mostraban los granos de cristal del material de perovskita, descubrieron que los grupos de trampa solo se formaron en lugares específicos, en los límites entre ciertos granos.
Para comprender por qué esto solo ocurrió en ciertos límites de grano, los grupos trabajaron con el equipo del profesor Paul Midgley del Departamento de Ciencia y Metalurgia de los Materiales de la Universidad de Cambridge, que utilizó una técnica llamada escaneo de difracción de electrones para crear imágenes detalladas de la estructura cristalina de perovskita.El equipo de Midgley hizo uso de la configuración de microscopía electrónica en la instalación de ePSIC en el Sincrotrón de fuente de luz de diamante, que cuenta con equipos especializados para obtener imágenes de materiales sensibles al haz, como las perovskitas.
"Debido a que estos materiales son muy sensibles al haz, las técnicas típicas que usaría para sondear la estructura cristalina local en estas escalas de longitud en realidad pueden cambiar rápidamente el material a medida que lo observa", explicó Tiarnan Doherty, estudiante de doctoradoen el grupo de Stranks y coautor principal del estudio. "En cambio, pudimos usar dosis de exposición muy bajas y, por lo tanto, evitar daños".
"Del trabajo en OIST, sabíamos dónde estaban ubicados los grupos de trampas, y en ePSIC, escaneamos alrededor de esa misma área para ver la estructura local. Pudimos identificar rápidamente variaciones inesperadas en la estructura cristalina alrededor de los sitios de trampa"
El grupo descubrió que los grupos de trampas solo se formaron en las uniones donde un área del material con estructura ligeramente distorsionada se encontraba con un área con estructura prístina.
"En las perovskitas, tenemos estos granos de material de mosaico regulares y la mayoría de los granos son agradables y prístinos, la estructura que esperaríamos", dijo el Dr. Stranks. "Pero de vez en cuando, obtienes un grano que es ligeramentedistorsionada y la química de ese grano no es homogénea. Lo que fue realmente interesante, y que inicialmente nos confundió, fue que no es el grano distorsionado la trampa, sino donde ese grano se encuentra con un grano prístino; es en esa unión donde se forman las trampas ".
Con esta comprensión de la naturaleza de las trampas, el equipo de OIST también utilizó la instrumentación PEEM personalizada para visualizar la dinámica del proceso de captura de portadores de carga que ocurre en el material de perovskita ". Esto fue posible como una de las características únicasde nuestra configuración de PEEM es que puede generar imágenes de procesos ultrarrápidos, tan cortos como femtosegundos ", explicó Andrew Winchester, estudiante de doctorado en la Unidad del Prof. Dani y coautor principal de este estudio." Descubrimos que el proceso de captura estaba dominadopor portadores de carga que se difunden a los grupos de trampas "
Estos descubrimientos representan un gran avance en la búsqueda de llevar perovskitas al mercado de energía solar.
"Todavía no sabemos exactamente por qué las trampas se están agrupando allí, pero ahora sabemos que se forman allí, y solo allí", dijo el Dr. Stranks. "Eso es emocionante porque significa que ahora sabemos a qué apuntar.mencione el rendimiento de las perovskitas. Necesitamos apuntar a esas fases no homogéneas o deshacernos de estas uniones de alguna manera ".
"El hecho de que los portadores de carga deben difundirse primero a las trampas también podría sugerir otras estrategias para mejorar estos dispositivos", dijo el profesor Dani. "Tal vez podríamos alterar o controlar la disposición de los grupos de trampas, sin cambiar necesariamente su número promedio, de modo que los operadores de carga tienen menos probabilidades de llegar a estos sitios defectuosos "
La investigación de los equipos se centró en una estructura particular de perovskita. Los científicos ahora investigarán si la causa de estos grupos de atrapamiento es universal en todos los materiales de perovskita.
"La mayor parte del progreso en el rendimiento del dispositivo ha sido prueba y error y hasta ahora, este ha sido un proceso bastante ineficiente", dijo el Dr. Stranks. "Hasta la fecha, realmente no ha sido impulsado por conocer una causa específica yapuntar sistemáticamente a eso. Este es uno de los primeros avances que nos ayudará a usar la ciencia fundamental para diseñar dispositivos más eficientes ".
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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