El desafío de las perovskitas de banda ancha #
Las células solares de perovskita, en particular las que se utilizan en configuraciones en tándem, se basan en materiales de banda ancha prohibida (WBG), semiconductores que absorben la luz de mayor energía (más azul) y dejan pasar la luz de menor energía (más roja), para maximizar la eficiencia. Sin embargo, las formulaciones de perovskita de banda ancha suelen presentar segregación de fases, donde los diferentes componentes se separan con el tiempo, lo que reduce su rendimiento.
Una solución es agregar rubidio (Rb) para estabilizar los materiales WBG, pero hay un problema: el Rb tiende a formar fases secundarias no deseadas, lo que reduce su eficacia para estabilizar la estructura de la perovskita.
La solución de la EPFL: la tensión al rescate #
Científicos liderados por Lukas Pfeifer y Likai Zheng, del grupo de Michael Grätzel en la EPFL, han descubierto una manera de forzar la permanencia del Rb en el lugar necesario. Mediante la “deformación reticular” de la película de perovskita, lograron incorporar iones de Rb en la estructura, lo que evitó la segregación de fases no deseada. Este novedoso enfoque no solo estabiliza el material WBG, sino que también mejora su eficiencia energética al minimizar la recombinación no radiativa, un factor clave en la pérdida de energía.
Los investigadores utilizaron la deformación reticular (una distorsión controlada de la estructura atómica) para mantener el Rb adherido a la red de la perovskita. Lo lograron mediante un ajuste preciso de la composición química y del proceso de calentamiento y enfriamiento. Un calentamiento rápido, seguido de un enfriamiento controlado, indujo la deformación, impidiendo que el Rb formara fases secundarias indeseadas y asegurando su integración en la estructura.
Verificación y perfeccionamiento del enfoque #
Para confirmar y comprender este efecto, el equipo utilizó difracción de rayos X para analizar los cambios estructurales, resonancia magnética nuclear de estado sólido para rastrear la ubicación atómica del Rb y modelado computacional para simular la interacción de los átomos en diferentes condiciones. Estas técnicas proporcionaron una imagen detallada de cómo la deformación estabilizó la incorporación del Rb.
Además de la deformación reticular, también descubrieron que la introducción de iones de cloruro es clave para estabilizar la red, compensando las diferencias de tamaño entre los elementos incorporados. Esto garantizó una distribución más uniforme de los iones, reduciendo los defectos y mejorando la estabilidad general del material.
¿El resultado? Un material más uniforme con menos defectos y una estructura electrónica más estable. La nueva composición de perovskita, mejorada con Rb estabilizado por deformación, alcanzó un voltaje de circuito abierto de 1,30 V, un impresionante 93,5 % de su límite teórico. Esto representa una de las pérdidas de energía más bajas jamás registradas en perovskitas de WBG. Además, el material modificado mostró un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) mejorado, lo que indica que la luz solar se estaba convirtiendo en electricidad de forma más eficiente.
El impacto en las energías renovables #
Reducir la pérdida de energía en las células solares de perovskita podría resultar en paneles solares más eficientes y rentables. Esto es especialmente importante para las células solares en tándem, donde las perovskitas se combinan con silicio para maximizar la eficiencia.
Los hallazgos también tienen implicaciones más allá de los paneles solares: las perovskitas se están explorando para LED, sensores y otras aplicaciones optoelectrónicas. Al estabilizar las perovskitas de WBG, la investigación de la EPFL podría ayudar a acelerar la comercialización de estas tecnologías.
Otros centros participantes #
-
EPFL Laboratory of Magnetic Resonance
-
EPFL X-Ray Diffraction and Surface Analytics Platform
-
EPFL Crystal Growth Facility
-
EPFL Laboratory of Computational Chemistry and Biochemistry
-
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
-
National University of Singapore
-
Politecnico di Milano
Cita #
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025. DOI: 10.1126/science.adt3417