Autopistas para los electrones de una célula solar

Las células solares basadas en compuestos de perovskita pronto podrían hacer que la generación de electricidad a partir de la luz solar sea aún más eficiente y barata. La eficiencia en laboratorio de estas células solares de perovskita ya supera la de las conocidas células solares de silicio.

Un equipo internacional dirigido por Stefan Weber del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Maguncia ha encontrado estructuras microscópicas en los cristales de perovskita que pueden guiar el transporte de la carga en la célula solar. Una alineación inteligente de estas autopistas de electrones podría hacer que las células solares de perovskita sean aún más potentes.

Cuando las células solares convierten la luz solar en electricidad, los electrones del material dentro de la célula absorben la energía de la luz. Tradicionalmente, este material absorbente de la luz es el silicio, pero las perovskitas podrían ser una alternativa más barata. Los electrones excitados por la luz solar son recogidos por contactos especiales en la parte superior e inferior de la célula. Sin embargo, si los electrones permanecen en el material durante demasiado tiempo, pueden perder su energía de nuevo. Por lo tanto, para minimizar las pérdidas, deberían llegar a los contactos lo más rápido posible.

Unas estructuras microscópicas de las perovskitas (FTD, ferroelastic twin domains) podrían ser útiles en este sentido: Pueden influir en la rapidez con que se mueven los electrones. Un grupo de investigación internacional dirigido por Stefan Weber en el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Mainz descubrió este fenómeno. Las estructuras en forma de rayas que los científicos investigaron se forman espontáneamente durante la fabricación de la perovskita por la tensión mecánica en el material. Combinando dos métodos de microscopía, los investigadores pudieron demostrar que los electrones se mueven mucho más rápido en paralelo a las franjas que en perpendicular a ellas. "Los dominios actúan como diminutas autopistas para los electrones", compara Stefan Weber.

Los electrones pueden moverse más rápido a lo largo de las estructuras microscópicas en las células solares de perovskita. (Foto: MPI for Polymer Research)

Para sus experimentos, los investigadores primero tuvieron que visualizar los dominios con forma de franjas. Tuvieron éxito en hacer esto con un microscopio de fuerza piezoeléctrica (PFM). Hace cinco años, Weber y sus colegas descubrieron los dominios por primera vez en un cristal de perovskita usando este método. "En aquel entonces, ya nos preguntábamos si las estructuras tenían influencia en el funcionamiento de una célula solar perovskita", explica Weber. "Nuestros últimos resultados ahora muestran que así es".

El gran avance se produjo cuando los investigadores compararon sus imágenes PFM con los datos obtenidos de otro método llamado microscopía de fotoluminiscencia. "Nuestro detector de fotoluminiscencia funciona como una trampa de velocidad", explica Ilka Hermes, investigadora del grupo de Weber y primera autora del estudio. "Lo usamos para medir la velocidad de los electrones en diferentes direcciones a nivel microscópico". Hermes descubrió que a lo largo de las franjas los electrones se movían entre un 50 y un 60 por ciento más rápido que en perpendicular a ellas. "Si fuéramos capaces de hacer que las rayas apunten directamente a los electrodos, una célula solar de perovskita podría ser mucho más eficiente", concluye Hermes.

Con los nuevos resultados, no solo se podrían mejorar las células solares. Otras aplicaciones optoelectrónicas como los diodos emisores de luz o los detectores de radiación también podrían beneficiarse del transporte dirigido de la carga. "En general, es una ventaja si podemos dirigir los electrones en la dirección correcta", explica Stefan Weber. La idea de los investigadores: someter a los cristales de perovskita a una tensión mecánica durante su producción. Esta denominada ingeniería de tensión permitiría una orientación optimizada de las autopistas de los electrones. (Fuente: NCYT Amazings)