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Un nuevo tipo de tecnología solar ha parecido prometedor en los últimos años.Las celdas solares de perovskita de alóide son a la vez de alto rendimiento y bajo costo para producir energía eléctrica, dos ingredientes necesarios para cualquier tecnología solar exitosa del futuro.Pero los nuevos materiales de las células solares también deben igualar la estabilidad de las células solares basadas en silicio, que cuentan con más de 25 años de fiabilidad.
En una investigación recientemente publicada, un equipo dirigido por Juan-Pablo Correa-Baena, profesor asistente en la Escuela de Ciencias de Materiales e Ingeniería de Georgia Tech,muestra que las células solares de perovskita de halogenuro son menos estables de lo que se pensaba anteriormenteSu 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 para la tecnología solar de perovskita de halogenuros.Su investigación, publicado como la historia de portada de la revistaMateriales avanzadosen diciembre de 2022, tiene implicaciones inmediatas tanto para los académicos como para los profesionales de la industria que trabajan con perovskitas en la fotovoltaica, un campo relacionado con las corrientes eléctricas generadas por la luz solar.
Las celdas solares de perovskita de halogenuro de plomo prometen una conversión superior de la luz solar en energía eléctrica.La estrategia más común para lograr una alta eficiencia de conversión de estas células es tratar sus superficies con 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 resultantes a escala atómica limitan la eficacia de la extracción de corriente de la célula solarA pesar de la conciencia de estos cambios estructurales, la investigación sobre si los cationes son estables después de la deposición es limitada.dejando una brecha en la comprensión de un proceso que podría afectar a la viabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita halogenida.
"Nuestra preocupación era que durante largos períodos de funcionamiento de las celdas solares la reconstrucción de las interfaces continuara", dijo Correa-Baena.Buscamos entender y demostrar cómo este proceso ocurre con el tiempo.
Para llevar a cabo el experimento, el equipo creó una muestra de dispositivo solar utilizando películas típicas de perovskita.que permite a los investigadores experimentar y generar datos basados en el rendimiento de cada célulaInvestigaron cómo las células se desempeñarían, tanto con y sin el tratamiento de superficie de cationes,y estudió las interfaces modificadas por catión de cada célula antes y después de un esfuerzo térmico prolongado utilizando técnicas de caracterización por rayos X basadas en síncrotrón.
Primero, los investigadores expusieron las muestras pre-tratadas a 100 gradosEl grado Celsiusdurante 40 minutos, y luego midió los cambios en su composición química mediante espectroscopia 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.Al combinar 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 entender cómo los cambios estructurales inducidos por cationes afectan el rendimiento de la célula solar, los investigadores emplearon espectroscopia de correlación de excitación en colaboración con Carlos Silva,Profesor de física y química en Georgia TechLa 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 de superficie son perjudiciales para el rendimiento.
Finalmente, el equipo correlacionó los cambios en la estructura y las propiedades optoelectrónicas con las diferencias en las eficiencias 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, investigador en el laboratorio de Correa-Baena y primer autor del artículo.Pero la buena noticia es que, con una ingeniería adecuada de la capa de interfaz, veremos una mayor estabilidad de esta tecnología en el futuro.
Los investigadores aprendieron que las superficies de las películas de perovskita de halogenuro metálico tratadas con cationes orgánicos siguen evolucionando en estructura y composición bajo estrés térmico.Vieron que los cambios resultantes a escala atómica en la interfaz pueden causar una pérdida significativa en la eficiencia de conversión de energía en las células solaresAdemás, descubrieron que la velocidad de estos cambios depende del tipo de cationes utilizados, lo que sugiere que las interfaces estables podrían estar al alcance con una ingeniería adecuada de las moléculas.
"Esperamos que este trabajo obligue 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, a un área en la que puedan centrarse para construir tecnologías solares más eficientes y estables.