Torsión bajo el estroboscopio: control de las redes cristalinas de materiales híbridos para células solares con luz de terahercios
Para superar los retos energéticos mundiales y luchar contra la inminente crisis medioambiental, investigadores de todo el mundo investigan nuevos materiales para convertir la luz solar en electricidad. Algunos de los candidatos más prometedores para aplicaciones de células solares de alta eficiencia y bajo coste se basan en semiconductores de perovskita de haluro de plomo (LHP). A pesar de los prototipos de células solares que han batido récords, aún no se conoce del todo el origen microscópico del sorprendentemente excelente rendimiento optoelectrónico de esta clase de materiales. Ahora, un equipo internacional de físicos y químicos del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck, la École Polytechnique de París, la Universidad de Columbia de Nueva York y la Universidad Libre de Berlín ha demostrado el control por láser de los movimientos fundamentales de la red atómica del LHP. Aplicando un repentino pico de campo eléctrico más rápido que una trillonésima de segundo (picosegundo) en forma de un único ciclo de luz de radiación de terahercios en el infrarrojo lejano, los investigadores desvelaron la respuesta ultrarrápida de la red, que podría contribuir a un mecanismo dinámico de protección de las cargas eléctricas. Este control preciso de los movimientos de torsión atómica permitirá crear nuevas propiedades materiales no equilibradas, lo que podría proporcionar pistas para diseñar el material de las células solares del futuro.
Un único ciclo de intensa luz láser de terahercios (rojo) retuerce rápidamente la red atómica de un material híbrido orgánico-inorgánico para células solares. La agitación ultrarrápida resultante de la red de haluro de plomo se rastrea mediante instantáneas estroboscópicas con pulsos de láser visible (verde). La respuesta observada de la red aporta nuevos conocimientos sobre los mecanismos microscópicos de protección de las cargas eléctricas y allana el camino para el control ultrarrápido de las propiedades optoelectrónicas del material.
© Maximilian Frenzel, FHI
Los materiales híbridos para células solares LHP investigados consisten en una red cristalina inorgánica que actúa como jaulas periódicas para alojar moléculas orgánicas. La interacción de las cargas electrónicas libres con esta red híbrida y sus impurezas determina cuánta electricidad puede extraerse de la energía de la luz solar. Entender esta complicada interacción podría ser la clave para comprender microscópicamente el extraordinario rendimiento optoelectrónico de los LHP. Investigadores del Instituto Fritz Haber de Berlín y sus colegas internacionales han logrado aislar la respuesta de la red a un campo eléctrico en escalas de tiempo superiores a 100 femtosegundos, es decir, una décima de billonésima de segundo. El campo eléctrico se ha aplicado mediante un intenso pulso láser que contiene un solo ciclo de luz infrarroja lejana, denominada luz de terahercios (THz). "Este campo de THz es tan intenso y rápido que puede imitar el campo eléctrico local de un portador de carga excitado inmediatamente después de la absorción de un cuanto de luz solar", explica Maximilian Frenzel, uno de los principales autores que realizan los experimentos.
Con este método, los investigadores observan un movimiento concertado de la red cristalina, consistente principalmente en la inclinación hacia delante y hacia atrás de los bloques octaédricos de la jaula inorgánica. Estas vibraciones de excitación no lineal pueden dar lugar a efectos de apantallamiento de orden superior, hasta ahora ignorados, que contribuyen a un mecanismo de protección de portadores de carga del que se ha hablado a menudo. "Además, el ángulo de inclinación relacionado desempeña un papel dominante en la determinación de las propiedades fundamentales del material, como la fase cristalográfica o el bandgap electrónico", aclara el Dr. Sebastian Maehrlein, líder del proyecto de investigación internacional. De este modo, en lugar del ajuste químico estático de las propiedades de los materiales, entra en juego el diseño dinámico ultrarrápido de materiales: "Como ahora podemos modular estos ángulos de torsión con un solo ciclo de luz THz", resume el Dr. Maehrlein, "en el futuro podríamos controlar las propiedades de los materiales a demanda o incluso descubrir nuevos estados exóticos de esta clase de materiales emergentes." Al evaluar estos estados dinámicos de la materia, los investigadores esperan aportar algunas pistas para diseñar los materiales energéticos del futuro.
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