Científicos de EE. UU. obtienen una nueva visión del funcionamiento interno de las perovskitas híbridas

Aunque prometedoras en términos de eficiencia y bajos costos de fabricación, las perovskitas aún están lejos de que su uso se generalice, ya que siguen presentando problemas de durabilidad cuando se exponen al estrés mecánico, la humedad y el calor. Por ello, investigadores de todo el mundo están acelerando la búsqueda del remedio de las deficiencias.

Buscando alcanzar una eficiencia equivalente o incluso mayor de estas células en comparación con las células solares convencionales hechas de silicio, un grupo de científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía realizaron una investigación a escala atómica que podría ayudar a explicar cómo las corrientes eléctricas se mueven eficientemente a través de perovskitas híbridas.

Para el estudio, publicado en la última edición de la revista Advanced Materials, el equipo de investigación utilizó pulsos de láser que coinciden con la intensidad de la radiación solar desde ambos extremos del espectro de luz visible: luz violeta de alta energía y luz infrarroja de baja energía. Los resultados se midieron en la escala de tiempo del picosegundo. Un picosegundo es una billonésima de segundo.

“En los primeros picosegundos después de que la luz del sol golpee la perovskita, los electrones y los agujeros en la red cristalina comienzan a separarse”, dijo uno de los autores del estudio, Aaron Lindenberg, profesor asociado de SLAC y Stanford.

“La separación se descubrió midiendo la emisión de pulsos de luz de terahercios de alta frecuencia que oscilaban un trillón de veces por segundo desde la película delgada de perovskita. Esta es la primera vez que alguien observa la emisión de terahercios de las perovskitas híbridas “.

La emisión de terahercios también reveló que los electrones y los agujeros interactúan estrechamente con las vibraciones reticulares en el material cristalino. Esta interacción, que ocurre en una escala de tiempo de femtosegundo, podría ayudar a explicar cómo las corrientes eléctricas navegan a través del mosaico de granos de cristal en perovskitas híbridas, asegurando así una eficiencia comparable a la de un solo cristal de silicio puro.

“Nuestra técnica podría abrir una nueva forma de estudiar una célula solar justo cuando se absorbe el fotón, lo cual es realmente importante si se quiere comprender y construir mejores materiales. La forma convencional es colocar electrodos en el dispositivo y medir la corriente, pero eso en esencia desdibuja todos los procesos microscópicos que son clave. Nuestro enfoque completamente óptico y sin electrodos con resolución de tiempo de femtosegundo evita ese problema”, dijo Lindenberg.

Un resultado inesperado observado por los investigadores fue que los campos de luz de terahercios son mucho más fuertes cuando la perovskita es golpeada con ondas de luz de alta energía, es decir, luz violeta contra luz infrarroja de baja energía.

“La luz violeta imparte electrones con un exceso de energía cinética, creando electrones calientes que se mueven mucho más rápido que otros electrones”, dijo el autor principal, Burak Guzelturk. “Sin embargo, estos electrones calientes pierden su exceso de energía muy rápidamente”.

Aunque es un gran desafío encontrar una forma de capturar el exceso de energía de un electrón caliente antes de que se relaje, los investigadores afirman que el aprovechamiento de la energía de los electrones calientes podría conducir a una nueva generación de células solares de alta eficiencia.

“Muchos investigadores defienden que es posible crear electrones calientes en las perovskitas que viven mucho más que en silicio. Eso es parte de la emoción en torno a las perovskitas”, señaló Lindenberg.

Mientras tanto, la capacidad de medir las emisiones de terahercios también podría conducir a nuevas investigaciones sobre alternativas no tóxicas a las perovskitas convencionales a base de plomo.

“La mayoría de los materiales alternativos que se consideran no son tan eficientes en la generación de electricidad como el plomo”, dijo Lindenberg. “Nuestros hallazgos podrían permitirnos entender por qué la composición de plomo funciona tan bien mientras que otros materiales no lo hacen, y para investigar la degradación de estos dispositivos mirando directamente a la estructura atómica y cómo esta cambia”.