Perovskitas de haluro de plomo: un caballo de otro color
Se desarrolla una nueva técnica espectroscópica
En un esfuerzo experimental y teórico conjunto entre la Universidad de Lund (Suecia), la Academia Rusa de Ciencias (Rusia) y el Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde de la Universidad Técnica de Dresde (Alemania), los investigadores desarrollaron una novedosa técnica espectroscópica para el estudio de la dinámica de los portadores de carga en perovskitas de haluro de plomo.
Gráfico del caballo
Y. Vaynzof
El diagrama representa un típico mapa de fotoluminiscencia en 2D que se asemeja a la forma del cuello y las crines de un caballo.
I. Scheblykin / Y. Vaynzof
Las perovskitas de haluro metálico han sido objeto de una intensa investigación durante la última década debido al notable aumento de su rendimiento en dispositivos optoelectrónicos como las células solares o los diodos emisores de luz. A pesar de los enormes avances en este campo, aún se desconocen muchos aspectos fundamentales de la fotofísica de los materiales de perovskita, como la comprensión detallada de la física de sus defectos y los mecanismos de recombinación de cargas. Estos aspectos se suelen estudiar midiendo la fotoluminiscencia -es decir, la emisión de luz tras la fotoexcitación- del material tanto en estado estacionario como en régimen transitorio. Aunque estas mediciones son omnipresentes en la literatura, no captan toda la gama de procesos fotofísicos que se producen en las perovskitas de haluro metálico y, por tanto, sólo representan una imagen parcial de su dinámica de portadores de carga. Además, aunque se suelen aplicar varias teorías para interpretar estos resultados, no se ha explorado su validez ni sus limitaciones, lo que suscita dudas sobre los conocimientos que ofrecen.
Para abordar esta difícil cuestión, un equipo trinacional de investigadores de la Universidad de Lund (Suecia), la Academia Rusa de Ciencias (Rusia) y la Universidad Técnica de Dresde (Alemania) ha desarrollado una nueva metodología para el estudio de las perovskitas de haluro de plomo. Esta metodología se basa en la cartografía completa del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia y la dinámica de decaimiento en el espacio bidimensional (2D) tanto de la fluencia como de la frecuencia del pulso de luz de excitación. Estos mapas 2D no sólo ofrecen una representación completa de la fotofísica de la muestra, sino que también permiten examinar la validez de las teorías, aplicando un único conjunto de ecuaciones y parámetros teóricos a todo el conjunto de datos. "Mapear una película de perovskita utilizando nuestro nuevo método es como tomar sus huellas dactilares: nos proporciona una gran cantidad de información sobre cada muestra individual", afirma el profesor Ivan Scheblykin, catedrático de Física Química de la Universidad de Lund. "Curiosamente, cada mapa se asemeja a la forma del cuello y la crin de un caballo, lo que nos lleva a denominarlos cariñosamente "caballos de perovskita", que son todos únicos a su manera".
"La riqueza de la información contenida en cada mapa 2D nos permite explorar diferentes teorías posibles que pueden explicar el complejo comportamiento de los portadores de carga en las perovskitas de haluro metálico", añade el Dr. Pavel Frantsuzov, del Brunch de Siberia de la Academia Rusa de Ciencias. En efecto, los investigadores descubrieron que las dos teorías más aplicadas (la llamada "teoría ABC" y la teoría Shockley-Read-Hall) no pueden explicar los mapas 2D en todo el rango de parámetros de excitación. Proponen una teoría más avanzada que incluye procesos no lineales adicionales para explicar la fotofísica de las perovskitas de haluro metálico.
Los investigadores demuestran que su método tiene importantes implicaciones para el desarrollo de células solares de perovskita más eficientes. El Prof. Dr. Yana Vaynzof, titular de la cátedra de Tecnologías Electrónicas Emergentes del Instituto de Física Aplicada y Materiales Fotónicos y del Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed) explica: "Al aplicar la nueva metodología a muestras de perovskita con interfaces modificadas, pudimos cuantificar su influencia en la dinámica de los portadores de carga en la capa de perovskita al cambiar, por ejemplo, la densidad y la eficacia de las trampas. Esto nos permitirá desarrollar procedimientos de modificación interfacial que conduzcan a propiedades óptimas y a dispositivos fotovoltaicos más eficientes".
Es importante destacar que el nuevo método no se limita al estudio de las perovskitas de haluro metálico y puede aplicarse a cualquier material semiconductor. "La versatilidad de nuestro método y la facilidad con la que podemos aplicarlo a nuevos sistemas de materiales es muy emocionante. Prevemos muchos nuevos descubrimientos de fotofísica fascinante en semiconductores novedosos", añade el profesor Scheblykin.
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