Menos inocente de lo que parece
El hidrógeno en las perovskitas híbridas: Los investigadores identifican el defecto que limita el rendimiento de las células solares
Investigadores del departamento de materiales de la Facultad de Ingeniería de la UC Santa Bárbara han descubierto una de las principales causas de las limitaciones de eficiencia de una nueva generación de células solares.
Una vacante de hidrógeno (el punto negro a la izquierda del centro) creada al eliminar el hidrógeno de una molécula de metilamonio, atrapa portadores en la perovskita híbrida prototípica, el yoduro de plomo de metilamonio CH3NH3Pbl3
Xie Zhang
Anteriormente se habían considerado varios posibles defectos en la red de lo que se conoce como perovskitas híbridas como causa potencial de tales limitaciones, pero se suponía que las moléculas orgánicas (los componentes responsables del apelativo "híbrido") permanecerían intactas. Los cálculos más avanzados han revelado ahora que la falta de átomos de hidrógeno en estas moléculas puede causar pérdidas masivas de eficiencia.
El notable rendimiento fotovoltaico de las perovskitas híbridas ha suscitado una gran expectación, dado su potencial para hacer avanzar la tecnología de las células solares. El término "híbrido" se refiere a la incrustación de moléculas orgánicas en una red de perovskita inorgánica, que tiene una estructura cristalina similar a la del mineral de perovskita (óxido de calcio y titanio). Los materiales presentan una eficiencia de conversión de energía que rivaliza con la del silicio, pero son mucho más baratos de producir. Sin embargo, se sabe que los defectos en la red cristalina de la perovskita crean una disipación de energía no deseada en forma de calor, lo que limita la eficiencia.
Varios equipos de investigación han estudiado estos defectos, entre ellos el grupo del profesor de materiales de la UCSB Chris Van de Walle, que recientemente ha logrado un gran avance al descubrir un defecto perjudicial en un lugar donde nadie había mirado antes: en la molécula orgánica.
"El yoduro de plomo de metilamonio es el prototipo de perovskita híbrida", explicó Xie Zhang, investigador principal del proyecto. "Descubrimos que es sorprendentemente fácil romper uno de los enlaces y eliminar un átomo de hidrógeno en la molécula de metilamonio. La "vacante de hidrógeno" resultante actúa como sumidero de las cargas eléctricas que se mueven por el cristal tras ser generadas por la luz que incide en la célula solar. Cuando estas cargas quedan atrapadas en la vacante, ya no pueden realizar un trabajo útil, como cargar una batería o alimentar un motor, de ahí la pérdida de eficiencia".
La investigación fue posible gracias a las avanzadas técnicas computacionales desarrolladas por el grupo de Van de Walle. Estos cálculos de última generación proporcionan información detallada sobre el comportamiento mecánico-cuántico de los electrones en el material. Mark Turiansky, estudiante de posgrado del grupo de Van de Walle que participó en la investigación, ayudó a crear sofisticados enfoques para convertir esta información en valores cuantitativos de las tasas de captura de portadores de carga.
"Nuestro grupo ha creado potentes métodos para determinar qué procesos causan la pérdida de eficiencia", dijo Turiansky, "y es gratificante ver que el enfoque proporciona una visión tan valiosa para una clase importante de materiales".
"Los cálculos actúan como un microscopio teórico que nos permite asomarnos al material con una resolución mucho mayor de la que puede lograrse experimentalmente", explicó Van de Walle. "También constituyen una base para el diseño racional de materiales. A través de ensayos y errores, se ha descubierto que las perovskitas en las que la molécula de metilamonio se sustituye por formamidinio presentan un mejor rendimiento. Ahora podemos atribuir esta mejora al hecho de que los defectos de hidrógeno se forman con menos facilidad en el compuesto de formamidinio.
"Esta idea proporciona una clara justificación para la idea empírica de que el formamidinio es esencial para conseguir células solares de alta eficiencia", añadió. "Basándose en estos conocimientos fundamentales, los científicos que fabrican los materiales pueden desarrollar estrategias para suprimir los defectos perjudiciales, impulsando mejoras adicionales de eficiencia en las células solares".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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