Los ingenieros de la Universidad de Rice han creado semillas microscópicas para cultivar cristales de perovskita 2D notablemente uniformes que son estables y altamente eficientes en la recolección de electricidad de la luz solar.
por Jade Boyd, Rice University
Las perovskitas de haluro son materiales orgánicos hechos de ingredientes abundantes y económicos, y el método de crecimiento con semillas de Rice aborda los problemas de rendimiento y producción que han frenado la tecnología fotovoltaica de perovskita de haluro .
En un estudio publicado en línea en Advanced Materials , los ingenieros químicos de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice describen cómo hacer las semillas y usarlas para cultivar películas delgadas homogéneas , materiales muy buscados compuestos por capas uniformemente gruesas. En las pruebas de laboratorio, los dispositivos fotovoltaicos hechos con las películas demostraron ser eficientes y confiables, una combinación previamente problemática para dispositivos hechos de perovskitas 3D o 2D.
«Hemos ideado un método en el que realmente puedes adaptar las propiedades de las películas macroscópicas al primero adaptar lo que pones en la solución», dijo el coautor del estudio Aditya Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales. y nanoingeniería en Rice. «Se puede llegar a algo que sea muy homogéneo en tamaño y propiedades, y que conduzca a una mayor eficiencia. Obtuvimos una eficiencia de dispositivo casi de vanguardia para el caso 2D del 17%, y eso fue sin optimización. Nosotros creo que podemos mejorar eso de varias maneras «.
Mohite dijo que lograr películas homogéneas de perovskitas 2D ha sido un gran desafío en la comunidad de investigación fotovoltaica de haluro perovskita, que ha crecido enormemente durante la última década.
«Se espera que las películas homogéneas conduzcan a dispositivos optoelectrónicos con alta eficiencia y estabilidad tecnológicamente relevante», dijo.
Las películas fotovoltaicas de alta eficiencia cultivadas con semillas de Rice demostraron ser bastante estables, preservando más del 97% de su eficiencia máxima después de 800 horas bajo iluminación sin ninguna gestión térmica. En investigaciones anteriores, los dispositivos fotovoltaicos de perovskita de haluro 3D han sido altamente eficientes pero propensos a una degradación rápida, y los dispositivos 2D han carecido de eficiencia pero eran muy estables.
El estudio de Rice también detalla el proceso de crecimiento de semillas, un método que está al alcance de muchos laboratorios, dijo la coautora del estudio Amanda Marciel, presidenta del fideicomisario de William Marsh Rice y profesora asistente de ingeniería química y biomolecular en Rice.
«Creo que la gente tomará este papel y dirá:» Oh. Voy a empezar a hacer esto ‘», dijo Marciel.» Es un documento de procesamiento realmente agradable que profundiza de una manera que no se había hecho antes «.
El nombre perovskita se refiere tanto a un mineral específico descubierto en Rusia en 1839 como a cualquier compuesto con la estructura cristalina de ese mineral. Por ejemplo, las perovskitas de haluro se pueden preparar mezclando plomo, estaño y otros metales con sales de yoduro o bromuro. El interés de la investigación en las perovskitas de haluro se disparó después de que se demostrara su potencial para la energía fotovoltaica de alta eficiencia en 2012.
Mohite, quien se unió a Rice en 2018, ha investigado la energía fotovoltaica de perovskita de haluro durante más de cinco años, especialmente perovskitas 2D, formas planas, casi atómicamente delgadas del material que son más estables que sus primos más gruesos debido a una resistencia inherente a la humedad.
Mohite acreditó al coautor principal del estudio, Siraj Sidhik, un Ph.D. estudiante en su laboratorio, con la idea de perseguir el crecimiento sembrado.
«La idea de que una memoria o una historia, una especie de semilla genética, puede dictar las propiedades de los materiales es un concepto poderoso en la ciencia de los materiales», dijo Mohite. «Muchas plantillas funcionan así. Si desea cultivar un solo cristal de diamante o silicio, por ejemplo, necesita una semilla de un solo cristal que pueda servir como plantilla».
Si bien a menudo se ha demostrado el crecimiento de semillas para cristales inorgánicos y otros procesos, Mohite dijo que esta es la primera vez que se muestra en perovskitas 2D orgánicas.
El proceso para cultivar películas de perovskita 2D a partir de semillas es idéntico en varios aspectos al proceso clásico de cultivar tales películas. En el método tradicional, los precursores químicos se miden como los ingredientes en una cocina (X partes del ingrediente A, Y partes del ingrediente B, etc.) y estos se disuelven en un solvente líquido. La solución resultante se extiende sobre una superficie plana mediante recubrimiento por rotación, una técnica ampliamente utilizada que se basa en la fuerza centrífuga para esparcir uniformemente los líquidos a través de un disco que gira rápidamente. A medida que el solvente se disuelve, los ingredientes mezclados se cristalizan en una película delgada.
El grupo de Mohite ha hecho películas de perovskita 2D de esta manera durante años, y aunque las películas parecen perfectamente planas a simple vista, son desiguales a escala nanométrica. En algunos lugares, la película puede ser de un solo cristal de espesor, y en otros lugares, varios cristales de espesor.
«Terminas obteniendo algo que es completamente polidisperso, y cuando cambia el tamaño, el panorama energético también cambia», dijo Mohite. «Lo que eso significa para un dispositivo fotovoltaico es ineficiencia, porque se pierde energía por dispersión cuando las cargas encuentran una barrera antes de que puedan alcanzar un contacto eléctrico».
En el método de crecimiento con semillas, las semillas se obtienen haciendo crecer lentamente un cristal 2D uniforme y triturándolo en un polvo, que se disuelve en disolvente en lugar de los precursores individuales. Las semillas contienen la misma proporción de ingredientes que la receta clásica, y la solución resultante se reviste en discos exactamente como lo haría en el método original. Los pasos de evaporación y cristalización también son idénticos. Pero la solución sembrada produce películas con una superficie homogénea y uniforme, muy parecida a la del material del que se trituraron las semillas.
Cuando Sidhik inicialmente tuvo éxito con el enfoque, no quedó claro de inmediato por qué produjo mejores películas. Afortunadamente, el laboratorio de Mohite se encuentra junto al de Marciel, y aunque ella y su alumno, el coautor principal Mohammad Samani, no habían trabajado anteriormente con perovskitas, tenían la herramienta perfecta para encontrar y estudiar cualquier fragmento de semillas no disueltas que pudieran estar modelando las películas homogéneas. .
«Podríamos rastrear esa nucleación y crecimiento usando técnicas de dispersión de luz en mi grupo que normalmente usamos para medir tamaños de polímeros en solución», dijo Marciel. «Así es como surgió la colaboración. Somos vecinos en el laboratorio, y estábamos hablando de esto, y yo estaba como,» Oye, tengo este equipo. Veamos qué tan grandes son estas semillas y si podemos rastrearlas a lo largo del tiempo, usando las mismas herramientas que usamos en la ciencia de los polímeros ‘».
La herramienta fue la dispersión dinámica de la luz, una técnica fundamental en el grupo de Marciel. Reveló que las soluciones alcanzaron un estado de equilibrio bajo ciertas condiciones, permitiendo que una porción de algunas semillas permaneciera sin disolver en la solución.
La investigación mostró que esos trozos de semilla conservaban la «memoria» del cristal de crecimiento lento perfectamente uniforme del que se molieron, y Samani y Marciel descubrieron que podían rastrear el proceso de nucleación que eventualmente permitiría que las semillas produjeran películas delgadas homogéneas.
Mohite dijo que la colaboración produjo algo que a menudo se intenta y rara vez se logra en la investigación de nanomateriales: un método de autoensamblaje para fabricar materiales macroscópicos que cumplen con la promesa de las nanopartículas individuales de las que están compuestos.
«Esta es realmente la pesadilla de la tecnología de nanomateriales», dijo Mohite. «A nivel individual, de un solo elemento, tienes propiedades maravillosas que son órdenes de magnitud mejores que cualquier otra cosa, pero cuando intentas unirlas en algo macroscópico y útil, como una película, esas propiedades simplemente desaparecen porque no puede hacer algo homogéneo, solo con las propiedades que desea.
«Aún no hemos realizado experimentos en otros sistemas, pero el éxito con las perovskitas plantea la pregunta de si este tipo de enfoque sembrado podría funcionar también en otros sistemas», dijo.
