Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego desarrollaron un nuevo método para fabricar perovskitas como películas delgadas de cristal único, que son más eficientes para su uso en células solares y dispositivos ópticos que las formas policristalinas de última generación del material.
Su método de fabricación, que utiliza procesos de fabricación de semiconductores estándar, da como resultado películas de perovskita monocristalinas flexibles con área, espesor y composición controlados. Estas películas monocristalinas mostraron menos defectos, mayor eficiencia y estabilidad mejorada que sus películas policristalinas.contrapartes, lo que podría conducir al uso de perovskitas en células solares, LED y fotodetectores.
Investigadores del laboratorio de nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs del profesor Sheng Xu publicaron sus hallazgos el 29 de julio en Naturaleza .
"Nuestro objetivo era superar los desafíos en la realización de dispositivos de perovskita de cristal único", dijo Yusheng Lei, un estudiante graduado de nanoingeniería y primer autor del artículo. "Nuestro método es el primero que puede controlar con precisión el crecimiento y la fabricación de un solo-Dispositivos de cristal con alta eficiencia. El método no requiere equipos o técnicas sofisticadas; todo el proceso se basa en la fabricación tradicional de semiconductores, lo que indica además su compatibilidad con los procedimientos industriales existentes ".
Las perovskitas son una clase de materiales semiconductores con una estructura cristalina específica que demuestran intrigantes propiedades electrónicas y optoelectrónicas, que hacen que las perovskitas sean atractivas para su uso en dispositivos que canalizan, detectan o controlan la luz: células solares, fibra óptica para la comunicación, etc.o dispositivos basados en LED, por ejemplo.
"Actualmente, casi todos los enfoques de fabricación de perovskita se centran en estructuras policristalinas, ya que son más fáciles de producir, aunque sus propiedades y estabilidad son menos sobresalientes que las estructuras monocristalinas", dijo Yimu Chen, estudiante de posgrado en nanoingeniería y coprimeroautor del artículo.
El control de la forma y composición de las perovskitas monocristalinas durante la fabricación ha sido difícil. El método inventado en el laboratorio de Xu pudo superar este obstáculo aprovechando los procesos de fabricación de semiconductores existentes, incluida la litografía.
"La electrónica moderna, como su teléfono celular, computadoras y satélites, se basa en películas delgadas de cristal único de materiales como silicio, nitruro de galio y arseniuro de galio", dijo Xu. "Los monocristales tienen menos defectos y, por lo tanto, mejoresrendimiento de transporte electrónico, que los policristales. Estos materiales deben estar en películas delgadas para su integración con otros componentes del dispositivo, y ese proceso de integración debe ser escalable, de bajo costo e idealmente compatible con los estándares industriales existentes. Eso había sido un desafío conperovskitas. "
En 2018, el equipo de Xu fue el primero en integrar con éxito las perovskitas en el proceso de litografía estándar industrial; un desafío, ya que la litografía involucra agua, a la que las perovskitas son sensibles. Solucionaron este problema agregando una capa de protección de polímero a las perovskitas seguidas.mediante grabado en seco de la capa de protección durante la fabricación. En esta nueva investigación, los ingenieros desarrollaron una forma de controlar el crecimiento de las perovskitas a nivel de monocristal mediante el diseño de un patrón de máscara de litografía que permite el control en las dimensiones laterales y verticales.
En su proceso de fabricación, los investigadores utilizan la litografía para grabar un patrón de máscara en un sustrato de cristal a granel de perovskita híbrida. El diseño de la máscara proporciona un proceso visible para controlar el crecimiento de la formación de la película de cristal ultradelgada.A continuación, se despega la capa de cristal del sustrato de cristal a granel y se transfiere a un sustrato arbitrario mientras se mantiene su forma y adhesión al sustrato. Se aplica una mezcla de plomo y estaño con composición que cambia gradualmente a la solución de crecimiento, creando una banda prohibida electrónica graduada continuamentela fina película monocristalina.
La perovskita reside en el plano mecánico neutro intercalado entre dos capas de materiales, lo que permite que la película delgada se doble. Esta flexibilidad permite que la película monocristalina se incorpore en células solares de película delgada flexible de alta eficiencia y en dispositivos portátiles.contribuyendo al objetivo del control inalámbrico sin batería.
Su método permite a los investigadores fabricar películas delgadas de cristal único de hasta 5,5 cm por cuadrados de 5,5 cm, mientras tienen control sobre el grosor de la perovskita de cristal único, que va desde 600 nanómetros a 100 micrones, así como la composicióngradiente en la dirección del espesor.
"Simplificar aún más el proceso de fabricación y mejorar el rendimiento de la transferencia son cuestiones urgentes en las que estamos trabajando", dijo Xu. "Alternativamente, si podemos reemplazar la máscara de patrón con capas de transporte de portador funcionales para evitar el paso de transferencia, toda la fabricaciónel rendimiento se puede mejorar en gran medida. "
En lugar de trabajar para encontrar agentes químicos para estabilizar el uso de perovskitas policristalinas, este estudio demuestra que es posible fabricar dispositivos monocristalinos estables y eficientes utilizando procedimientos y materiales de nanofabricación estándar. El equipo de Xu espera escalar aún más este método para realizar elpotencial comercial de las perovskitas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Katherine Connor. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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