El paisaje de defectos iónicos en las células solares perovskitas reveló
El grupo de las llamadas perovskitas de haluro metálico como materiales ha revolucionado el campo de la energía fotovoltaica en los últimos años. En general, las perovskitas de haluro metálico son materiales cristalinos que siguen la estructura ABX3, con una composición variable. Aquí, A, B y X pueden representar una combinación de diferentes iones orgánicos e inorgánicos. Estos materiales tienen una serie de propiedades que son ideales para su uso en células solares y podrían ayudar a hacer mucho más eficientes los dispositivos optoelectrónicos como los láseres, los diodos emisores de luz (LED) o los fotodetectores. En lo que respecta al desarrollo de una tecnología eficiente en cuanto a recursos y energía, la relevancia de la investigación sobre estos materiales es muy alta.
Representación artística de un paisaje de defectos iónicos en las perovskitas.
Prof. Dr. Yana Vaynzof (TU Dresden/cfaed)
Las propiedades ventajosas de las perovskitas de haluro metálico incluyen su alta capacidad de captación de luz y su notable habilidad para convertir eficientemente la energía solar en energía eléctrica. Otra característica especial de estos materiales es que tanto los portadores de carga como los iones son móviles dentro de ellos. Si bien el transporte de portadores de carga es un proceso fundamental necesario para el funcionamiento fotovoltaico de la célula solar, los defectos iónicos y el transporte de iones a menudo tienen consecuencias indeseables en el rendimiento de estos dispositivos. A pesar de los importantes avances en este campo de investigación, siguen abiertas muchas cuestiones relativas a la física de los iones en los materiales de la perovskita.
En el camino hacia una mejor comprensión de estas estructuras, las Universidades Técnicas de Chemnitz y Dresden han dado ahora un gran paso adelante. En una investigación conjunta de los grupos de investigación en torno al Prof. Dr. Yana Vaynzof (Cátedra de Tecnologías Electrónicas Emergentes en el Instituto de Física Aplicada y el Centro para el Avance de la Electrónica de Dresden - cfaed, TU Dresden) y el Prof. Dr. Carsten Deibel (Óptica y Fotónica de la Materia Condensada, Universidad Tecnológica de Chemnitz) bajo la dirección de la Universidad Tecnológica de Chemnitz, los dos equipos descubrieron el paisaje de defectos iónicos en las perovskitas de halogenuros metálicos. Fueron capaces de identificar las propiedades esenciales de los iones que componen estos materiales. La migración de los iones conduce a la presencia de defectos en el material, que tienen un efecto negativo en la eficiencia y la estabilidad de las células solares de perovskita. Los grupos de trabajo encontraron que el movimiento de todos los iones observados, a pesar de sus diferentes propiedades (como la carga positiva o negativa), sigue un mecanismo de transporte común y también permite la asignación de defectos e iones. Esto se conoce como la regla de Meyer-Neldel.
"Sondear el paisaje de defectos iónicos de los materiales de la perovskita no es una tarea sencilla", dice Sebastian Reichert, asistente de investigación de la Cátedra de Óptica y Fotónica de la Materia Condensada de la Universidad Tecnológica de Chemnitz y autor principal de la publicación. "Necesitábamos realizar una amplia caracterización espectroscópica en muestras de perovskita en las que los defectos se introdujeron intencionadamente y su tipo y densidad se afinaron gradualmente. Por lo tanto, la experiencia de ambos equipos fue invaluable", explica Reichert. Aclaración de los mecanismos básicos de transporte
"Uno de los resultados más importantes de nuestro estudio es la intrincada interacción entre los paisajes iónicos y electrónicos en los materiales de perovskita", añade el Prof. Vaynzof, "Al cambiar la densidad de los diversos defectos iónicos en los materiales de perovskita, observamos que el potencial incorporado y el voltaje de circuito abierto de los dispositivos se ven afectados". Esto pone de relieve que la ingeniería de defectos es una herramienta poderosa para mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita más allá del estado del arte.
El estudio conjunto también encontró que todos los defectos iónicos cumplen con la llamada regla de Meyer-Neldel. "Esto es muy emocionante ya que revela información fundamental sobre los procesos de salto de los iones en las perovskitas", dice el Prof. Deibel. "Actualmente tenemos dos hipótesis sobre el origen de esta observación y planeamos investigarlas en nuestros futuros estudios."
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