Los aditivos voluminosos podrían hacer que las células solares más baratas duren más

11 de enero de 2024 (Noticias de Nanowerk) Una idea para prevenir semiconductores de perovskita from degrading quickly, discovered at the University of Michigan, could help enable solar cells estimated to be two to four times cheaper than today’s thin-film solar panels. The findings have been published in Celular (“Molecular Design of Defect Passivators for Thermally Stable Metal Halide Perovskite Films”). Perovskites may also be combined with the silicon-based semiconductors that are prevalent in today’s solar panels to create “tandem” solar cells that could surpass the maximum theoretical efficiency of silicon solar cells. Perovskite solar cells like this one, made by Xiwen Gong’s group, could make solar energy cheaper and more environmentally friendly—but they degrade faster than silicon. In a study published in the journal Matter, the team discovered how to make the black perovskite film last longer. (Image: Zhengtao Hu, Gong Lab, University of Michigan) “Silicon solar cells are great because they are very efficient and can last for a very long time, but the high efficiency comes with a high cost,” said Xiwen Gong, U-M assistant professor of chemical engineering. “To make high-purity silicon, temperatures over 1,000 degrees Celsius are needed. Otherwise, the efficiency won’t be as good.” The high temperature comes with higher economic and environmental costs. But while perovskites can be produced at lower temperatures, they degrade when exposed to heat, moisture and air. As a result, the lifespan of perovskite today is too short to be commercially competitive in solar panels. Gong’s research aims to make hardier perovskite solar cells, and her latest study published in the journal Matter suggests that bulky “defect pacifying” molecules are best at increasing the perovskites’ stability and overall lifespan. Perovskite crystals contain lead atoms that aren’t fully bound to the other components within the perovskite. Such “undercoordinated sites” are defects often found on the crystal surfaces and at grain boundaries where there’s a break in the crystal lattice. These defects hinder the movement of electrons and speed up the decay of the perovskite material. Xiwen Gong’s team designed these three molecular additives to study how an additive’s size and configuration impacts the stability of perovskite films, a class of materials that could be used to make high efficiency, low cost solar cells. Los aditivos pueden evitar que los defectos, que perjudican la eficiencia de las células solares, crezcan en las roturas de la red cristalina de perovskita, conocidas como límites de grano. La red de perovskita se muestra como una serie de diamantes amarillos, mientras que los sitios de los defectos se muestran como círculos discontinuos de color azul oscuro. Las líneas discontinuas negras representan los enlaces que potencialmente pueden formarse entre la perovskita y los aditivos. La molécula más voluminosa cubre la mayoría de los defectos en la superficie de los granos de perovskita y al mismo tiempo aumenta el tamaño total de los granos durante el proceso de fabricación. Los granos de perovskita más grandes dan como resultado una menor densidad de los límites de los granos en toda la película, lo que reduce la cantidad de lugares donde se pueden formar defectos. (Imagen: Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, Universidad de Michigan) Los ingenieros ya saben que mezclar moléculas pacificadoras de defectos en las perovskitas puede ayudar a bloquear el plomo descoordinado, evitando a su vez que se formen otras imperfecciones a altas temperaturas. But until now, engineers didn’t know exactly how a given molecule affected the hardiness of perovskite cells. "Queríamos descubrir qué características de las moléculas mejoran específicamente la estabilidad de la perovskita", dijo Hongki Kim, ex investigador postdoctoral en ingeniería química y uno de los primeros autores del estudio. To investigate the problem, Gong’s team created three additives with a range of shapes and sizes and added them into thin films of perovskite crystals, which can absorb light and convert it to electricity. Cada aditivo contenía componentes químicos iguales o similares, lo que hacía que el tamaño, el peso y la disposición fueran las principales propiedades que los diferenciaban. Luego, el equipo midió la fuerza con la que los diferentes aditivos interactuaban con las perovskitas y, en consecuencia, influían en la formación de defectos en las películas. Las moléculas más grandes en masa se adhirieron mejor a la perovskita porque tenían más sitios de unión que interactúan con los cristales de perovskita. Como resultado, tendían a ser mejores para prevenir la formación de defectos. Pero los mejores aditivos también necesitaban ocupar mucho espacio. Las moléculas grandes pero delgadas dieron como resultado granos de perovskita más pequeños durante el proceso de fabricación. Smaller grains aren’t ideal because they also create perovskite cells with more grain boundaries, or more areas for defects to form. Por el contrario, las moléculas voluminosas forzaron la formación de granos de perovskita más grandes, lo que a su vez redujo la densidad de los límites de los granos en la película. Calentar las películas de perovskita a más de 200 grados Celsius confirmó que los aditivos voluminosos ayudaron a que las películas conservaran más de su característico color negro pizarra y desarrollaran menos defectos estructurales.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64399.php