Los ingenieros de la Universidad de Rice alcanzan nuevo punto referente en el diseño de células solares delgadas de perovskitas semiconductoras, incrementando su eficiencia y conservando su capacidad para hacer frente a condiciones medioambientales.
El laboratorio de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Aditya Mohite, en la Universidad Rice, descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas de perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar su eficiencia fotovoltaica hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso es a menudo medido en fracciones de un porcentaje.
“En 10 años, las eficiencias de las perovskitas se han disparado desde alrededor del 3% hasta más del 25%”, dijo Mohite. “Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar allí. Por eso estamos tan emocionados".
La investigación aparece en Nature Nanotechnology .
Una capa bidimensional de un compuesto de perovskita es la base para una célula solar eficiente que podría resistir el desgaste ambiental, a diferencia de las perovskitas anteriores. Los ingenieros de la Universidad de Rice elevaron la eficiencia fotovoltaica de las perovskitas 2D hasta en un 18%.
Crédito: Jeff Fitlow / Rice University
Las perovskitas son compuestos que tienen celosías de cristal en forma de cubos y son recolectores de luz altamente eficientes. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un acertijo: son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz solar y la humedad los degradan.
"Se espera que una tecnología de células solares funcione a lo largo de entre 20 y 25 años", manifestó Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. “Llevamos muchos años trabajando y continuamos haciéndolo con perovskitas a granel, que son muy eficientes pero no tan estables. Por el contrario, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no tienen la suficiente eficiencia como para colocarlas en un tejado."
“El gran problema ha consistido en hacerlas eficientes sin comprometer la estabilidad”, dijo.
Los ingenieros de Rice y sus colaboradores en las universidades de Purdue y Northwestern, laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. Los Alamos, Argonne y Brookhaven y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, con la luz solar efectivamente contrae el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad para transportar una corriente electrica.
“Descubrimos que cuando se enciende el material, se aprieta como una esponja y se juntan las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección”, dijo Mohite. Los investigadores encontraron que la colocación de una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la parte inferior mejoraba las interacciones entre las capas.
El estudiante graduado de la Universidad Rice Wenbin Li, el ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite y el estudiante graduado Siraj Sidhik lideraron el proyecto para producir perovskitas 2D endurecidas para células solares eficientes.
“Este trabajo tiene implicaciones significativas para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la carga negativa en la otra y pueden comunicarse entre sí”, dijo Mohite. “Estos se llaman excitones, y pueden tener propiedades únicas.
“Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales luz-materia sin crear heteroestructuras complejas como dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados”, indicó.
Foto de Jeff Fitlow
Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos de colegas en Francia. “Este estudio ofreció una oportunidad única para combinar técnicas de simulación ab initio de vanguardia, investigaciones de materiales utilizando instalaciones de sincrotrón nacional a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento”, explicó Jacky Even, profesor de física en INSA . "El artículo describe por primera vez cómo un fenómeno de percolación libera repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita".
Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar a la intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4% a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en 1 minuto bajo la intensidad de cinco sol.
"No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red induce una gran mejora del flujo de electrones", dijo el estudiante graduado de Rice y coautor principal Wenbin Li. "Nuestra investigación muestra un aumento que triplica la conducción de electrones del material".
El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Siraj Sidhik, se prepara para aplicar una capa giratoria a un sustrato con un compuesto que se solidifica en una perovskita 2D. Los ingenieros de Rice han descubierto que la perovskita es prometedora para células solares robustas y eficientes.
Al mismo tiempo, la naturaleza de la celosía hizo que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados Celsius (176 grados Fahrenheit). Los investigadores también encontraron que la celosía se relajó rápidamente y volvió a su configuración normal una vez que se apagó la luz.
“Una de las principales atracciones de las perovskitas 2D era que generalmente tienen átomos orgánicos que actúan como barreras a la humedad, son térmicamente estables y resuelven problemas de migración de iones”, explicó el estudiante de posgrado y coautor principal Siraj Sidhik. “Las perovskitas 3D son propensas a la inestabilidad del calor y la luz, por lo que los investigadores comenzaron a colocar capas 2D encima de perovskitas a granel para ver si podían obtener lo mejor de ambas. Pensamos, simplemente pasemos a 2D y hagámoslo eficiente", ha afirmado.
Crédito: Jeff Fitlow
Para observar la contracción del material en acción, el equipo hizo uso de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE): la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE y la Fuente de Fotones Avanzados (APS) en el Argonne National del Laboratorio DOE.
El físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, utilizó los rayos X ultrabrillantes del APS para capturar minúsculos cambios estructurales en el material en tiempo real. Los instrumentos sensibles en la línea de luz 8-ID-E del APS permiten estudios de "funcionamiento" , es decir, aquellos realizados mientras el dispositivo está experimentando cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de funcionamiento. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la célula solar a la luz solar simulada mientras mantenían la temperatura constante, y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.
El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Wenbin Li, explota una célula solar de perovskita 2D con luz en un simulador solar. Los ingenieros de Rice aumentaron la eficiencia de las células hechas de perovskitas bidimensionales al tiempo que mantuvieron su dureza.
Foto de Jeff Fitlow
Como experimento de control, Strzalka y sus coautores también mantuvieron la habitación a oscuras y elevaron la temperatura, observando el efecto opuesto: una expansión del material. Esto mostró que fue la luz en sí misma, no el calor que generó, lo que causó la transformación.
“Para cambios como este, es importante hacer estudios mientras se está operando”, dijo Strzalka. “De la misma manera que su mecánico quiere hacer funcionar su motor para ver lo que sucede dentro de él, nosotros queremos básicamente tomar un video de esta transformación en lugar de una sola instantánea. Instalaciones como el APS nos permiten hacer eso".
Strzalka señaló que el APS se encuentra en medio de una importante actualización que aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces. Cuando esté completo, dijo, los rayos más brillantes y los detectores más rápidos y nítidos mejorarán la capacidad de los científicos para detectar estos cambios con aún mayor sensibilidad.
Eso podría ayudar al equipo de Rice a ajustar los materiales para un rendimiento aún mejor. "Estamos en camino de obtener una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de los cationes y las interfaces", dijo Sidhik. “Cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces la gente comenzaría a usar perovskitas 2D para tándems de perovskita / silicio 2D y perovskita 2D / 3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%. Eso lo haría atractivo para la comercialización ".
Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Jin Hou, Hao Zhang y Austin Fehr, el estudiante universitario Joseph Essman, el estudiante de intercambio Yafei Wang y el coautor para correspondencia Jean-Christophe Blancon, científico senior en el laboratorio Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan en INSA; Reza Asadpour y Muhammad Alam de Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos y Mercouri Kanatzidis de Northwestern; Jared Crochet de Los Alamos y Esther Tsai de Brookhaven.
La Oficina de Investigación del Ejército, el Instituto Académico de Francia, la Fundación Nacional de Ciencias (20-587, 1724728), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2725) y la Oficina de Ciencias del DOE (AC02?06CH11357) apoyaron la investigación.
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