Investigando las células solares de perovskitas de halogenuros inorgánicos a base de cesio

Unos científicos del HZB han impreso y explorado diferentes composiciones de perovskitas de halogenuros basados en cesio. En un rango de temperatura entre la temperatura ambiente y los 300 grados Celsius, han observado transiciones de fase estructurales que influyen en las propiedades electrónicas.

El estudio proporciona un método rápido y sencillo para evaluar nuevas composiciones de materiales de perovskita a fin de identificar candidatos para su aplicación en células solares de película delgada y dispositivos optoelectrónicos.

Las perovskitas híbridas de halogenuros (ABX3) se han erigido en pocos años como nuevos materiales altamente eficientes para células solares de película delgada. La A representa un catión, ya sea una molécula orgánica o algún metal alcalino, la B es un metal, más a menudo Plomo (Pb) y la X es un elemento de haluro como Bromuro o Yoduro. Actualmente algunas composiciones alcanzan eficiencias de conversión de energía superiores al 25%. Además, la mayoría de las películas finas de perovskita pueden procesarse fácilmente a partir de una solución a temperaturas de procesamiento moderadas, lo que resulta muy económico.

Se han alcanzado eficiencias récord a nivel mundial con otras moléculas orgánicas. Pero esas perovskitas orgánicas no son todavía muy estables. Las perovskitas inorgánicas con cesio en el sitio A prometen mayores estabilidades, pero los compuestos simples como el CsPbI3 o el CsPbBr3 no son muy estables o no proporcionan las propiedades electrónicas necesarias para aplicaciones en células solares u otros dispositivos optoelectrónicos.

Ahora bien, un equipo del HZB sí exploró composiciones que proporcionan mezclas realmente interesantes para las aplicaciones de células solares multiunión, en particular para los dispositivos en tándem.

Nueve muestras con mezclas de CsPbBr2I (tinta 1, izquierda) a CsPbI3 puro. (Foto: H. Näsström/HZB)

Para la producción utilizaron un método recientemente desarrollado para imprimir películas delgadas de perovskita para producir variaciones sistemáticas de películas delgadas de CsPb(Br_xI_1−x)₃ en un sustrato. Para lograrlo, se llenaron dos cabezales de impresión con CsPbBr2I o CsPbI3 y luego se programó para imprimir la cantidad necesaria de gotas líquidas en el sustrato para formar una película delgada de la composición deseada. Tras un recocido a 100 grados centígrados para expulsar el disolvente y cristalizar la muestra, se obtuvieron finas franjas con diferentes composiciones (que se muestran en la imagen).

Con una fuente especial de rayos X de alta intensidad, se analizó la estructura cristalina de la delgada película a diferentes temperaturas, desde temperatura ambiente hasta los 300 grados centígrados. "Encontramos que todas las composiciones investigadas se convierten en una fase cúbica de perovskita a alta temperatura", explica Hampus Näsström, estudiante de doctorado y primer autor de la publicación. Al enfriarse, todas las muestras pasan a fases que las hacen adecuadas para dispositivos de células solares.

Dado que se ha comprobado que las temperaturas de transición a las fases deseadas disminuyen con el aumento del contenido de bromuro, esto permitiría reducir las temperaturas de procesamiento de las células solares inorgánicas de perovskita.

"El interés en esta nueva clase de materiales solares es enorme, y las posibles variaciones de composición casi infinitas. Este trabajo demuestra cómo producir y evaluar sistemáticamente una amplia gama de composiciones", dice la Dra. Eva Unger, que dirige el Grupo de Jóvenes Investigadores de Formación y Escalado de Materiales Híbridos. El Dr. Thomas Unold, jefe del grupo de Investigación de Materiales de Energía Combinatoria está de acuerdo y sugiere que "este es un ejemplo excelente de cómo los enfoques de alto rendimiento en la investigación podrían acelerar enormemente el descubrimiento y la optimización de materiales en investigaciones futuras". (Fuente: NCYT Amazings)