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Un nuevo tipo de tecnología solar parece prometedor en los últimos años.Las células solares de perovskita de haluro son de alto rendimiento y de bajo costo para producir energía eléctrica, dos ingredientes necesarios para cualquier tecnología solar exitosa del futuro.Pero los nuevos materiales de las celdas solares también deberían igualar la estabilidad de las celdas solares basadas en silicio, que cuentan con más de 25 años de confiabilidad.
En una investigación recientemente publicada, un equipo dirigido por Juan-Pablo Correa-Baena, profesor asistente en la Escuela de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech, muestra que las células solares de perovskita de haluro son menos estables de lo que se pensaba.Su trabajo revela la inestabilidad térmica que ocurre dentro de las capas de interfaz de las células, pero también ofrece un camino hacia la confiabilidad y la eficiencia de la tecnología solar de perovskita de haluro.Su investigación, publicada como artículo de portada de la revistaMateriales avanzadosen diciembre de 2022, tiene implicaciones inmediatas tanto para académicos como para profesionales de la industria que trabajan con perovskitas en fotovoltaica, un campo relacionado con las corrientes eléctricas generadas por la luz solar.
Las células solares de perovskita de haluro de plomo prometen una conversión superior de la luz solar en energía eléctrica.Actualmente, la estrategia más común para obtener una alta eficiencia de conversión de estas células es tratar sus superficies con grandes iones cargados positivamente conocidos como cationes.
Estos cationes son demasiado grandes para caber en la red de escala atómica de perovskita y, al aterrizar en el cristal de perovskita, cambian la estructura del material en la interfaz donde se depositan.Los defectos a escala atómica resultantes limitan la eficacia de la extracción de corriente de la célula solar.A pesar de la conciencia de estos cambios estructurales, la investigación sobre si los cationes son estables después de la deposición es limitada, lo que deja un vacío en la comprensión de un proceso que podría afectar la viabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita de haluro.
“Nuestra preocupación era que durante largos períodos de funcionamiento de las células solares continuaría la reconstrucción de las interfaces”, dijo Correa-Baena.“Entonces, buscamos comprender y demostrar cómo ocurre este proceso con el tiempo”.
Para llevar a cabo el experimento, el equipo creó un dispositivo solar de muestra utilizando películas típicas de perovskita.El dispositivo cuenta con ocho celdas solares independientes, lo que permite a los investigadores experimentar y generar datos basados en el rendimiento de cada celda.Investigaron cómo se comportarían las células, con y sin el tratamiento superficial catiónico, y estudiaron las interfaces modificadas con cationes de cada célula antes y después de un estrés térmico prolongado utilizando técnicas de caracterización de rayos X basadas en sincrotrón.
Primero, los investigadores expusieron las muestras pretratadas a 100 gradosCelsiusdurante 40 minutos, y luego midieron sus cambios en la composición química usando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.También utilizaron otro tipo de tecnología de rayos X para investigar con precisión qué tipo de estructuras cristalinas se forman en la superficie de la película.Combinando la información de las dos herramientas, los investigadores pudieron visualizar cómo los cationes se difunden en la red y cómo cambia la estructura de la interfaz cuando se exponen al calor.
A continuación, para comprender cómo los cambios estructurales inducidos por cationes afectan el rendimiento de las células solares, los investigadores emplearon la espectroscopia de correlación de excitación en colaboración con Carlos Silva, profesor de física y química en Georgia Tech.La técnica expone las muestras de células solares a pulsos de luz muy rápidos y detecta la intensidad de la luz emitida por la película después de cada pulso para comprender cómo se pierde la energía de la luz.Las mediciones permiten a los investigadores comprender qué tipos de defectos superficiales son perjudiciales para el rendimiento.
Finalmente, el equipo correlacionó los cambios en la estructura y las propiedades optoelectrónicas con las diferencias en la eficiencia de las células solares.También estudiaron los cambios inducidos por las altas temperaturas en dos de los cationes más utilizados y observaron las diferencias de dinámica en sus interfaces.
“Nuestro trabajo reveló que existe una inestabilidad preocupante introducida por el tratamiento con ciertos cationes”, dijo Carlo Perini, científico investigador en el laboratorio de Correa-Baena y primer autor del artículo.“Pero la buena noticia es que, con la ingeniería adecuada de la capa de interfaz, veremos una mayor estabilidad de esta tecnología en el futuro”.
Los investigadores descubrieron que las superficies de las películas de perovskita de haluro metálico tratadas con cationes orgánicos siguen evolucionando en estructura y composición bajo tensión térmica.Vieron que los cambios a escala atómica resultantes en la interfaz pueden causar una pérdida significativa en la eficiencia de conversión de energía en las células solares.Además, encontraron que la velocidad de estos cambios depende del tipo de cationes utilizados, lo que sugiere que las interfaces estables podrían estar al alcance con la ingeniería adecuada de las moléculas.
“Esperamos que este trabajo impulse a los investigadores a probar estas interfaces a altas temperaturas y buscar soluciones al problema de la inestabilidad”, dijo Correa-Baena.“Este trabajo debería orientar a los científicos en la dirección correcta, hacia un área en la que puedan concentrarse para construir tecnologías solares más eficientes y estables”.