Menos inocente de lo que parece: hidrógeno en perovskitas híbridas: los investigadores identifican el defecto que limita el rendimiento de las células solares

Nano TechnologySello de tiempo: 1 de mayo de 2021 3:18 p.m.

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Una vacante de hidrógeno (la mancha negra a la izquierda del centro) creada al eliminar el hidrógeno de una molécula de metilamonio, atrapa portadores en la perovskita híbrida prototípica, yoduro de plomo de metilamonio CH3NH3Pbl3 CRÉDITO Xie Zhang

Abstracto:
Los investigadores del departamento de materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de California en Santa Bárbara han descubierto una de las principales causas de las limitaciones de la eficiencia en una nueva generación de células solares.

Menos inocente de lo que parece: hidrógeno en perovskitas híbridas: los investigadores identifican el defecto que limita el rendimiento de las células solares

Santa Bárbara, CA | Publicado el 30 de abril de 2021

Varios posibles defectos en la red de lo que se conoce como perovskitas híbridas se habían considerado previamente como la causa potencial de tales limitaciones, pero se asumió que las moléculas orgánicas (los componentes responsables del apodo “híbrido”) permanecerían intactas. Cálculos de vanguardia han revelado ahora que los átomos de hidrógeno que faltan en estas moléculas pueden causar pérdidas masivas de eficiencia. Los hallazgos se publican en un artículo titulado "Minimizar las vacantes de hidrógeno para permitir perovskitas híbridas altamente eficientes", en la edición del 29 de abril de la revista Nature Materials.

El notable rendimiento fotovoltaico de las perovskitas híbridas ha creado un gran entusiasmo, dado su potencial para hacer avanzar la tecnología de células solares. "Híbrido" se refiere a la incrustación de moléculas orgánicas en una red de perovskita inorgánica, que tiene una estructura cristalina similar a la del mineral perovskita (óxido de calcio y titanio). Los materiales exhiben eficiencias de conversión de energía que rivalizan con las del silicio, pero son mucho más baratos de producir. Sin embargo, se sabe que los defectos en la red cristalina de perovskita crean una disipación de energía no deseada en forma de calor, lo que limita la eficiencia.

Varios equipos de investigación han estado estudiando tales defectos, entre ellos el grupo del profesor de materiales de UCSB Chris Van de Walle, que recientemente logró un gran avance al descubrir un defecto perjudicial en un lugar donde nadie había mirado antes: en la molécula orgánica.

"El yoduro de metilamonio y plomo es la perovskita híbrida prototípica", explicó Xie Zhang, investigador principal del proyecto. “Descubrimos que es sorprendentemente fácil romper uno de los enlaces y eliminar un átomo de hidrógeno en la molécula de metilamonio. La 'vacante de hidrógeno' resultante actúa como un sumidero de las cargas eléctricas que se mueven a través del cristal después de ser generadas por la luz que cae sobre la célula solar. Cuando estos cargos quedan atrapados en la vacante, ya no pueden realizar un trabajo útil, como cargar una batería o alimentar un motor, de ahí la pérdida de eficiencia ".

La investigación fue posible gracias a técnicas computacionales avanzadas desarrolladas por el grupo Van de Walle. Estos cálculos de vanguardia proporcionan información detallada sobre el comportamiento mecánico-cuántico de los electrones en el material. Mark Turiansky, un estudiante de posgrado del grupo de Van de Walle que participó en la investigación, ayudó a crear enfoques sofisticados para convertir esta información en valores cuantitativos para las tasas de captura de portadores de carga.

"Nuestro grupo ha creado métodos poderosos para determinar qué procesos causan pérdida de eficiencia", dijo Turiansky, "y es gratificante ver que el enfoque proporciona información tan valiosa para una clase importante de materiales".

“Los cálculos actúan como un microscopio teórico que nos permite observar el material con una resolución mucho más alta de la que se puede lograr experimentalmente”, explicó Van de Walle. “También forman una base para el diseño racional de materiales. Mediante ensayo y error, se ha encontrado que las perovskitas en las que la molécula de metilamonio es reemplazada por formamidinio exhiben un mejor desempeño. Ahora podemos atribuir esta mejora al hecho de que los defectos de hidrógeno se forman con menos facilidad en el compuesto de formamidinio.

"Esta información proporciona una razón clara para la sabiduría establecida empíricamente de que el formamidinio es esencial para realizar células solares de alta eficiencia", agregó. "Sobre la base de estos conocimientos fundamentales, los científicos que fabrican los materiales pueden desarrollar estrategias para suprimir los defectos dañinos, impulsando mejoras de eficiencia adicionales en las células solares".

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Los fondos para esta investigación fueron proporcionados por la Oficina de Ciencias y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía. Los cálculos se realizaron en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía.

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Contactos:
James Badham

@ucsantabarbara

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