Pequeños pasos para los electrones, ¿grandes pasos para las células solares del futuro?
Un nuevo método de medición ayuda a mejorar las células solares de perovskita de forma selectiva
Físicos de la Universidad de Ratisbona y la Universidad de Oxford utilizan un microscopio ultrarrápido para revelar cómo se mueven los electrones en un nuevo tipo de material para células solares. Los resultados permiten comprender cómo puede utilizarse el material de forma aún más eficiente para la energía fotovoltaica.
Imagen artística que muestra el movimiento vertical de los fototransportadores (jiggling trajectories) a través de los nanocristalitos de una película de perovskita de haluro metálico, basada en datos topográficos medidos. La interacción de este transporte de carga con la configuración cristalográfica, la composición química y la morfología puede resolverse con un enfoque innovador basado en la microscopía ultrarrápida de campo cercano.
© Brad Baxley (Part to Whole)
En la búsqueda de métodos de generación de energía más eficientes y sostenibles, una clase de materiales llamados perovskitas de haluro metálico se han mostrado muy prometedores. En los pocos años transcurridos desde su descubrimiento, las nuevas células solares basadas en estos materiales ya han alcanzado eficiencias comparables a las células solares de silicio comerciales. Sin embargo, las células solares de perovskita ofrecen importantes ventajas sobre las de silicio: Sus costes de fabricación y energía son más bajos, ya que pueden producirse mediante procesos de recubrimiento rentables. Además, su flexibilidad y ligereza permiten su aplicación en una amplia gama de superficies, desde aparatos electrónicos portátiles hasta innovadoras fachadas de edificios.
Pero, ¿cómo funciona realmente una célula solar? La célula solar absorbe la luz solar, que consiste en cuantos de luz individuales llamados fotones. Los fotones transfieren su energía a los electrones, elevándolos a estados de mayor energía en los que pueden moverse libremente. Los electrones libres se extraen de los contactos eléctricos y se convierten en energía eléctrica utilizable. La eficiencia de una célula solar depende, por tanto, de la eficacia con la que estos portadores de carga de corta vida puedan viajar a través del material para llegar a los contactos antes de decaer. Para seguir optimizando estratégicamente las células solares, es esencial comprender exactamente cómo se produce este transporte, incluidas las vías que siguen los electrones y lo que dificulta su movimiento.
Los investigadores de la Universidad de Ratisbona, dirigidos por el Prof. Dr. Rupert Huber, han llevado a cabo esta difícil tarea con un nuevo tipo de microscopio ultrarrápido que utiliza muestras hechas a medida por el Prof. Dr. Michael Johnston (Universidad de Oxford). El equipo consiguió generar electrones libres y seguir su difusión en escalas de tiempo ultracortas. En las células solares de perovskita, esto constituye un reto particular, ya que no son homogéneas, sino que están formadas por muchos granos pequeños de sólo cientos de nanómetros (la milmillonésima parte de un metro). Además, estos nanocristales no son idénticos en toda la muestra; pueden existir a temperatura ambiente en una de dos estructuras atómicas diferentes, de las cuales sólo una es adecuada para su uso en células solares. Por lo tanto, es crucial determinar la ubicación exacta y la estructura cristalina que se investiga. Para ello, los investigadores utilizaron un microscopio capaz de hacer zoom en la nanoescala, lo que permite medir estos nanocristales uno por uno. Simultáneamente, se pueden utilizar métodos ópticos para comprobar que están situados en un cristalito con la estructura atómica correcta. "Hacemos vibrar los átomos de los nanocristalitos. Dependiendo de la disposición de los átomos, estas vibraciones crean distintas firmas en la luz difusa, parecidas a una huella dactilar. Esto nos permite determinar con precisión cómo están dispuestos los átomos en los respectivos cristalitos", explica Martin Zizlsperger, primer autor de la publicación.
Una vez que el equipo conoció la forma exacta y la estructura cristalina de las nanoislas, iluminó la muestra con un breve pulso de luz, que excitó los electrones en estados móviles -esto es exactamente lo que ocurre cuando el sol brilla sobre una célula solar-. A continuación, los investigadores pudieron medir el movimiento posterior de las cargas con un segundo pulso láser. "En pocas palabras, las cargas se comportan como un espejo. Si estas cargas se mueven ahora hacia abajo desde nuestro punto de medición, por ejemplo, el segundo pulso láser se refleja después. Así podemos reconstruir el movimiento exacto de las cargas basándonos en este minúsculo retardo de apenas unos femtosegundos, donde un femtosegundo es la millonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo", explica Svenja Nerreter, coautora del estudio.
Esto permitió observar exactamente cómo se mueven los electrones excitados por el laberinto de diferentes cristalitos. En concreto, los investigadores también pudieron investigar el movimiento técnicamente relevante en la dirección perpendicular a la superficie de la célula solar tras la excitación. Los resultados fueron sorprendentes: aunque el material está formado por muchos nanocristales diferentes, el transporte vertical de carga en la escala de longitud nanométrica no se ve afectado por las irregularidades en las formas de los nanocristalitos. Esta podría ser una posible razón del éxito de las células solares de perovskita. Sin embargo, cuando los investigadores estudiaron regiones más grandes a escala de varios cientos de micrómetros, descubrieron diferencias en la eficiencia del transporte de carga entre regiones de tamaño micrométrico compuestas por cientos de pequeños nanocristalitos, siendo algunas regiones más eficientes que otras.
Estos puntos calientes locales podrían ser de gran importancia para el desarrollo de nuevas células solares. El novedoso método de medición de los investigadores permite conocer directamente la distribución y eficiencia de cada una de las regiones, lo que supone un importante paso adelante en la mejora de las células solares de perovskita. Los resultados se han publicado en la revista Nature Photonics. "Nuestro nuevo método nos permite observar por primera vez la compleja interacción entre el transporte de carga, la configuración del cristal y la forma de los cristalitos directamente a nanoescala. Por tanto, puede utilizarse para seguir mejorando las células solares de perovskita de forma selectiva", explica el profesor Huber. Sin embargo, el nuevo concepto de medición no se limita a las células solares, ya que la interacción entre la estructura y el transporte de carga es de vital importancia para una gran variedad de aplicaciones modernas. Este avance también podría contribuir significativamente al desarrollo de transistores ultrapequeños de alta velocidad y a desentrañar uno de los mayores misterios de la física del estado sólido: la superconductividad a alta temperatura.
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.
Publicación original
M. Zizlsperger, S. Nerreter, Q. Yuan, K. B. Lohmann, F. Sandner, F. Schiegl, C. Meineke, Y. A. Gerasimenko, L. M. Herz, T. Siday, M. A. Huber, M. B. Johnston, R. Huber; "In situ nanoscopy of single-grain nanomorphology and ultrafast carrier dynamics in metal halide perovskites"; Nature Photonics, 2024-7-17
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