Investigan propiedades de materiales para unas células solares más duraderas y eficientes

Los diseñadores de células solares saben que sus creaciones deben hacer frente a una amplia gama de temperaturas y todo tipo de condiciones climáticas, condiciones que pueden afectar a su eficiencia y vida útil.

La profesora adjunta de química y bioquímica de la Universidad Estatal de Florida Lea Nienhaus y la ex investigadora postdoctoral de la FSU Sarah Wieghold están ayudando a comprender los procesos fundamentales en un material conocido como perovskitas, trabajo que podría conducir a células solares más eficientes que también hagan un mejor trabajo de resistencia ante la degradación. Descubrieron que pequeños ajustes en la composición química de los materiales, así como la magnitud del campo eléctrico a los que están expuestos pueden afectar en gran medida a la estabilidad general del material.

Su trabajo se ha publicado en un par de estudios en las revistas Journal of Materials Chemistry C y Journal of Applied Physics.

Sus investigaciones se centran en mejorar el potencial de las perovskitas, un material con una estructura cristalina basada en iones de plomo cargados positivamente conocidos como cationes, y aniones halogenuros cargados negativamente. En una estructura cristalina cúbica de perovskita, los octaedros formados por los iones de plomo y haluro están rodeados por cationes adicionales cargados positivamente.

Las primeras células solares de perovskita, que se desarrollaron en 2006, tenían una eficiencia de conversión de energía solar de alrededor del 3 por ciento, pero las células desarrolladas en 2020 tienen una eficiencia de conversión de energía de más del 25 por ciento. Ese rápido aumento de la eficiencia las convierte en un material prometedor para futuras investigaciones, pero tienen inconvenientes para su viabilidad comercial, como la tendencia a degradarse rápidamente.

Sarah Wieghold, a la izquierda, y Lea Nienhaus. (Foto: FSU Photography Services)

"¿Cómo podemos hacer que las perovskitas sean más estables en las condiciones del mundo real en las que serán utilizados?", se preguntó Nienhaus. "¿Qué está causando la degradación? Eso es lo que estamos tratando de entender. Unas perovskitas que no se degraden rápidamente podrían ser una valiosa herramienta para obtener más energía de las células solares".

Las perovskitas son calificadas como "material blando", a pesar de los enlaces iónicos de la red cristalina que forman su estructura. Los haluros o cationes del material pueden desplazarse a través de esa red, lo que puede aumentar su tasa de degradación, lo que a su vez resulta en una falta de estabilidad a largo plazo.

En el artículo de la revista Journal of Materials Chemistry C, los investigadores investigaron la influencia combinada de la luz y una temperatura elevada en el rendimiento de las perovskitas.

Descubrieron que la adición de una pequeña cantidad del elemento cesio a la película de la perovskita aumenta la estabilidad del material bajo la luz y las temperaturas elevadas. La adición de rubidio, por otra parte, llevó a un peor rendimiento.

"Encontramos que dependiendo de la elección del catión, se pueden observar dos vías de degradación en estos materiales, que luego correlacionamos con una disminución en el rendimiento", dijo Wieghold. "También demostramos que la adición de cesio aumentó la estabilidad de la película bajo nuestras condiciones de prueba, que son resultados muy prometedores".

También encontraron que una disminución en el rendimiento de la película para las mezclas de perovskita menos estables estaba correlacionada con la formación del compuesto bromuro de plomo/yoduro y un aumento en las interacciones electrón-fonón. La formación de bromuro de plomo/yoduro se debe al mecanismo de degradación no deseado, que debe evitarse para lograr la estabilidad y el rendimiento a largo plazo de estas células solares de perovskita.

En el artículo del Journal of Applied Physics, exploraron el vínculo entre el voltaje y el rendimiento de los materiales de la perovskita. Esto mostró que el movimiento de iones en el material cambia la respuesta eléctrica subyacente, que será un factor crítico en el rendimiento fotovoltaico.

"Las perovskitas presentan una gran oportunidad para el futuro de las células solares, y es emocionante ayudar a que esta ciencia avance", dijo Nienhaus. (Fuente: NCYT Amazings)