Los investigadores del Grupo Cava en el Departamento de Química de la Universidad de Princeton han desmitificado las razones de la inestabilidad en una perovskita inorgánica que ha atraído una gran atención por su potencial para crear células solares altamente eficientes.
Utilizando la difracción de rayos X de cristal único realizada en la Universidad de Princeton y mediciones de la función de distribución de pares de rayos X realizadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los investigadores del Departamento de Química de Princeton detectaron que la fuente de inestabilidad termodinámica en el yoduro de plomo de cesio de perovskita de haluro CsPbI3es el átomo de cesio inorgánico y su comportamiento de "vibración" dentro de la estructura cristalina.
la difracción de rayos X produce una firma experimental clara de este movimiento.
La investigación, "Comprensión de la inestabilidad de la perovskita haluro CsPbI3 a través del análisis estructural dependiente de la temperatura", se publicará la próxima semana en la revista Materiales avanzados .
Daniel Straus, investigador postdoctoral asociado en el Grupo Cava y autor principal del artículo, explicó que si bien el cesio ocupa un solo sitio dentro de la estructura a temperaturas inferiores a 150 K, se "divide" en dos sitios por encima de 175 K. Junto conotros parámetros estructurales, esto sugiere evidencia del comportamiento de traqueteo del cesio dentro de su poliedro de coordinación de yodo.
Además, el bajo número de contactos de cesio-yodo dentro de la estructura y el alto grado de distorsión octaédrica local también contribuyen a la inestabilidad.
En la investigación, las mediciones de un solo cristal caracterizaron la estructura promedio del material. En Brookhaven, la función de distribución de pares de rayos X permitió a los investigadores determinar el comportamiento de la estructura en la escala de longitud de la celda unitaria. Una unidadla celda es la unidad repetitiva más pequeña en un cristal. Es en este nivel local que el alto grado de distorsión octaédrica se hizo evidente, dijo Straus.
La metaestabilidad a temperatura ambiente de CsPbI3 ha sido durante mucho tiempo un factor conocido, pero no se había explicado previamente.
"Encontrar una explicación para un problema que interesa a tantas personas en la comunidad de investigación es excelente, y nuestra colaboración con Brookhaven ha sido más que fantástica", dijo Robert Cava, profesor de química de Russell Wellman Moore, experto en síntesisy caracterización estructura-propiedad.
eficiencias "notables"
Actualmente, la perovskita de haluro dominante en aplicaciones de conversión de energía solar se basa en yoduro de metilamonio y plomo, un material híbrido orgánico-inorgánico que se ha incorporado a las células solares con eficiencias certificadas del 25,2%; esto rivaliza con la eficiencia de las células solares de silicio comerciales.Si bien esta eficiencia "notable" genera interés, el yoduro de metilamonio y plomo sufre problemas de inestabilidad que se cree que se originan en la naturaleza volátil del catión orgánico. Para corregir este problema, los investigadores han intentado reemplazar el catión orgánico con cesio inorgánico, que es significativamente menos volátil.
Sin embargo, a diferencia del yoduro de plomo y metilamonio, la fase de perovskita del yoduro de plomo y cesio es metaestable a temperatura ambiente.
"Si desea hacer una célula solar con yoduro de plomo de cesio no modificado, será muy difícil evitar esto y estabilizar este material", dijo Straus. "Debe encontrar una manera de estabilizarlo que funcione alrededor delhecho de que este átomo de cesio es un poco demasiado pequeño. Hay un par de formas en que las personas han tratado de modificar químicamente CsPbI3 y funcionan bien. Pero no tiene sentido tratar de hacer células solares de este material a granel sin hacer cosas elegantes paraeso."
La información estructural detallada en el documento sugiere métodos para estabilizar la fase de perovskita de CsPbI3 y así mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita de haluro. El documento también revela las limitaciones de los modelos de factores de tolerancia para predecir la estabilidad de las perovskitas de haluro. La mayoría de estos modelos actualmentepredecir que CsPbI3 debería ser estable.
en Brookhaven Lab
Una técnica conocida como medición de la función de distribución de pares, que describe la distribución de distancias entre átomos, ayudó a los investigadores de Princeton a comprender mejor la inestabilidad. Usando la línea de haz de la Función de Distribución de Pares PDF de Brookhaven en la Fuente de Luz Nacional del Sincrotrón II, línea de haz de plomoEl científico Milinda Abeykoon trabajó con muestras de CsPbI3 termodinámicamente inestable, que recibió del Laboratorio de Cava en varios capilares de vidrio sellados dentro de un recipiente lleno de hielo seco.
La medición de estas muestras fue un desafío, dijo Abeykoon, porque se descompondrían rápidamente una vez retiradas del hielo seco.
"Gracias al haz de rayos X extremadamente brillante y los detectores de área grande disponibles en la línea de haz PDF, pude medir las muestras a temperaturas múltiples por debajo de 300 K antes de que se degradaran", dijo Abeykoon. "Cuando el haz de rayos Xrebota en la muestra, produce un patrón característico de la disposición atómica del material. Esto nos da la posibilidad de ver no solo lo que está sucediendo a escala atómica, sino también cómo se comporta el material en general en una medición ".
Cava elogió la relación de 45 años que ha tenido con Brookhaven, que comenzó con experimentos que completó allí para su tesis de doctorado en la década de 1970. "Hemos tenido varias colaboraciones excelentes con Brookhaven", dijo.
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