Ingenieros de la Universidad de Rice han logrado un aumento de eficiencia de las células solares atómicamente delgadas hechas de perovskitas semiconductoras, manteniendo su resistencia ambiental.

El laboratorio de Aditya Mohite de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso es a menudo medido en fracciones de un porcentaje.

“En 10 años, las eficiencias de las perovskitas se han disparado de alrededor del 3% a más del 25%”, dijo Mohite en un comunicado. “Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar allí. Por eso estamos tan emocionados”, agregó la científica, cuya investigación aparece en Nature Nanotechnology.

Las perovskitas son compuestos que tienen celosías de cristal en forma de cubos y son recolectores de luz altamente eficientes. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un enigma: son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz solar y la humedad los degradan.

“Se espera que una tecnología de células solares funcione durante 20 a 25 años”, dijo Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. “Llevamos muchos años trabajando y seguimos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. Por el contrario, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para colocarlas en un techo.

“El gran problema ha sido hacerlos eficientes sin comprometer la estabilidad”, dijo.

Los ingenieros de Rice y sus colaboradores en las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE.UU. Los Alamos, Argonne y Brookhaven y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, la luz solar efectivamente contrae el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad para transportar una corriente.

“Descubrimos que cuando se enciende el material, se aprieta como una esponja y se juntan las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección”, dijo Mohite. Los investigadores encontraron que colocar una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la parte inferior mejoraba las interacciones entre las capas.

“Este trabajo tiene implicaciones significativas para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la carga negativa en la otra y pueden comunicarse entre sí”, dijo Mohite. “Estos se llaman excitones, que pueden tener propiedades únicas”.

“Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales luz-materia sin crear heteroestructuras complejas como dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados”, dijo.

Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos de colegas en Francia. “Este estudio ofreció una oportunidad única para combinar técnicas de simulación ab initio de vanguardia, investigaciones de materiales utilizando instalaciones de sincrotrón nacional a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento”, dijo Jacky Even, profesor de física en INSA. “El artículo describe por primera vez cómo un fenómeno de percolación libera repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita”.

Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar a la intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4% a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en 1 minuto bajo la intensidad de cinco sol.

“No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red induce una gran mejora del flujo de electrones”, dijo el estudiante graduado de Rice y coautor principal Wenbin Li. “Nuestra investigación muestra un aumento de tres veces en la conducción de electrones del material”.

Al mismo tiempo, la naturaleza de la celosía hizo que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados Celsius. Los investigadores también encontraron que la celosía se relajó rápidamente y volvió a su configuración normal una vez que se apagó la luz.

Fuente: europapress.es