Una idea para evitar que los semiconductores de perovskita se degraden rápidamente, descubierta en la Universidad de Michigan, podría ayudar a hacer posible que las células solares sean entre dos y cuatro veces más baratas que los paneles solares de película delgada actuales. El estudio se publica en la revista Matter. Las perovskitas también se pueden combinar con los semiconductores basados en silicio que prevalecen en los paneles solares actuales para crear células solares “en tándem” que podrían superar la eficiencia teórica máxima de las células solares de silicio.
“Las células solares de silicio son excelentes porque son muy eficientes y pueden durar mucho tiempo, pero la alta eficiencia conlleva un alto costo”, dijo Xiwen Gong, profesor asistente de ingeniería química de la UM. “Para producir silicio de alta pureza se necesitan temperaturas superiores a 1.000°C. De lo contrario, la eficiencia no será tan buena”.
Las altas temperaturas conllevan mayores costes económicos y medioambientales. Pero si bien las perovskitas pueden producirse a temperaturas más bajas, se degradan cuando se exponen al calor, la humedad y el aire. Como resultado, la vida útil actual de la perovskita es demasiado corta para ser comercialmente competitiva en paneles solares. La investigación de Gong tiene como objetivo fabricar células solares de perovskita más resistentes, y su nuevo estudio en Matter sugiere que las moléculas voluminosas que “pacifican los defectos” son mejores para aumentar la estabilidad y la vida útil general de las perovskitas.
Los cristales de perovskita contienen átomos de plomo que no están completamente unidos a los demás componentes de la perovskita. Estos “sitios poco coordinados” son defectos que se encuentran a menudo en las superficies de los cristales y en los límites de los granos donde hay una ruptura en la red cristalina. Estos defectos dificultan el movimiento de los electrones y aceleran la desintegración del material de perovskita.
Los ingenieros ya saben que mezclar moléculas pacificadoras de defectos en las perovskitas puede ayudar a bloquear el plomo descoordinado, evitando a su vez que se formen otras imperfecciones a altas temperaturas. Pero hasta ahora, los ingenieros no sabían exactamente cómo una molécula determinada afectaba la resistencia de las células de perovskita.
“Queríamos descubrir qué características de las moléculas mejoran específicamente la estabilidad de la perovskita”, dijo Hongki Kim, ex investigador postdoctoral en ingeniería química y uno de los primeros autores del estudio.
Para investigar el problema, el equipo de Gong creó tres aditivos con una variedad de formas y tamaños y los añadió a películas delgadas de cristales de perovskita, que pueden absorber la luz y convertirla en electricidad. Cada aditivo contenía componentes químicos iguales o similares, lo que hacía que el tamaño, el peso y la disposición fueran las principales propiedades que los diferenciaban.
Luego, el equipo midió la fuerza con la que los diferentes aditivos interactuaban con las perovskitas y, en consecuencia, influían en la formación de defectos en las películas. Las moléculas más grandes en masa se adhirieron mejor a la perovskita porque tenían más sitios de unión que interactúan con los cristales de perovskita. Como resultado, tendían a ser mejores para prevenir la formación de defectos.
Pero los mejores aditivos también necesitaban ocupar mucho espacio. Las moléculas grandes pero delgadas dieron como resultado granos de perovskita más pequeños durante el proceso de fabricación. Los granos más pequeños no son ideales porque también crean células de perovskita con más límites de grano o más áreas para que se formen defectos. Por el contrario, las moléculas voluminosas forzaron la formación de granos de perovskita más grandes, lo que a su vez redujo la densidad de los límites de los granos en la película. Calentar las películas de perovskita a más de 200°C confirmó que los aditivos voluminosos ayudaron a que las películas conservaran más de su característico color negro pizarra y desarrollaran menos defectos estructurales.
“Tanto el tamaño como la configuración son importantes al diseñar aditivos, y creemos que esta filosofía de diseño podría implementarse en varias formulaciones de perovskita para mejorar aún más la vida útil de las células solares, dispositivos emisores de luz y fotodetectores de perovskita”, dijo Carlos Alejandro Figueroa Morales, doctor estudiante de ciencias e ingeniería macromoleculares y uno de los primeros autores del estudio.
Fuente: Medical Xpress.
