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Diseñar deformaciones estructurales en semiconductores sensibles a la luz puede aumentar la eficiencia de las células solares.
M. Yang/USTC; adaptado por APS/Carin Cain
La búsqueda de un método eficiente para convertir la energía solar en electricidad es crucial en la búsqueda de la neutralidad de carbono y la sostenibilidad ambiental. Las células solares tradicionales se basan en uniones entre semiconductores, donde se produce una corriente mediante portadores fotogenerados separados por un campo eléctrico en la unión. Los esfuerzos para mejorar el rendimiento de las células solares se han centrado en refinar las propiedades de los semiconductores y mejorar los dispositivos. Al mismo tiempo, los investigadores están explorando mecanismos fotovoltaicos alternativos que podrían funcionar en sinergia con el efecto fotovoltaico basado en uniones para aumentar la eficiencia de las células solares. En este contexto, la ingeniería de un gradiente de deformación en el material se ha convertido en una dirección de investigación prometedora. En este fenómeno, conocido como efecto flexofotovoltaico, una deformación no homogénea en el material produce un efecto fotovoltaico en ausencia de unión. [1]. Ahora, un equipo liderado por Gustau Catalan del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología en España y Longlong Shu de la Universidad de Nanchang en China ha descubierto un pronunciado efecto flexofotovoltaico en materiales de halogenuros de perovskita esenciales para el desarrollo de células solares de cuarta generación con alta eficiencia y bajos costos de producción [2]. En particular, el efecto es mucho mayor que en los materiales flexofotovoltaicos estudiados anteriormente, lo que ofrece una gran promesa para mejorar las tecnologías de células solares.
Los efectos fotovoltaicos requieren dispositivos o materiales que rompan la simetría de inversión. La ruptura de la simetría crea una dirección preferencial para el flujo de electrones y huecos fotogenerados, generando una corriente considerable antes de que los portadores se recombinen. En las células solares tradicionales, la simetría está inherentemente rota en la interfaz entre dos materiales diferentes: uno PAG-norte unión entre un agujero dopado (PAG) y uno dopado con electrones (norte) materiales.
Ciertos materiales, conocidos como piezoeléctricos, también presentan rupturas de simetría de inversión en sus estructuras cristalográficas. [3]. Estos materiales exhiben un efecto fotovoltaico masivo. A diferencia del efecto basado en uniones, el efecto de masa depende de un mecanismo de separación de carga que surge de la distribución asimétrica de los portadores fotoexcitados en el espacio real y de momento. [4]. Este comportamiento conduce a características únicas, como una fotocorriente que depende de la polarización de la luz y un fotovoltaje que puede exceder la banda prohibida del material semiconductor. Por el contrario, el fotovoltaje obtenido en un dispositivo basado en uniones no puede exceder la banda prohibida del material, lo que limita la potencia máxima de salida de una célula solar, que aumenta con el producto del fotovoltaje y la fotocorriente. Con un diseño bien pensado, la energía fotovoltaica basada en uniones y la fotovoltaica masiva pueden operar juntas dentro de un solo dispositivo, aumentando su rendimiento. Sin embargo, el efecto fotovoltaico en masa suele verse obstaculizado por una baja eficiencia. Es más, los semiconductores utilizados habitualmente en las células solares convencionales son centrosimétricos y, por tanto, no presentan el efecto fotovoltaico en masa.
Un enfoque viable para abordar este desafío implica alterar la estructura del semiconductor para alterar su simetría. Diseñar un gradiente de deformación, una deformación de la estructura del material que aumenta a lo largo de una coordenada espacial, ha demostrado ser un medio eficaz para romper la simetría de inversión e inducir un dipolo eléctrico en los materiales independientemente de su simetría. [5]. Los materiales centrosimétricos sujetos a un gradiente de deformación pueden exhibir el efecto piezoeléctrico y transformar la energía mecánica en energía eléctrica, fenómeno conocido como efecto flexoeléctrico. [6]. Asimismo, romper la simetría de inversión obtenida al aplicar un gradiente de deformación a un semiconductor puede provocar la aparición del efecto fotovoltaico en masa. Este efecto fotovoltaico inducido por gradiente de deformación se conoce como efecto flexofotovoltaico y fue demostrado por primera vez por Dong Jik Kim, Marin Alexe, ambos de la Universidad de Warwick, Reino Unido, y por mí mismo en la perovskita de óxido SrTiO.3 (STO) [1]. Sin embargo, hasta ahora no se ha explorado lo suficiente la magnitud del efecto que se puede lograr sobre los materiales, en particular los que forman parte de las tecnologías de células solares.
Catalan y sus colaboradores investigan el efecto flexofotovoltaico en monocristales de dos halogenuros de perovskitas llamados MAPbBr3 (MAPB) y MAPbI3 (MAPI), donde MA significa metilamonio, CH3NUEVA HAMPSHIRE3. Gracias a los bajos costos de producción, la larga vida útil de los portadores y las excelentes propiedades de transporte de carga, estas perovskitas híbridas, que combinan compuestos orgánicos e inorgánicos, se han convertido en algunos de los materiales más atractivos para las células solares. Estos y otros materiales relacionados han provocado que la eficiencia de las células de perovskita aumente de alrededor del 3% en 2009 a más del 25% en la actualidad, una cifra que rivaliza con la de las mejores células solares basadas en silicio. [7]. Catalan, Shu y sus colaboradores fabricaron estructuras de condensadores depositando electrodos en ambos lados de estos cristales. Luego doblaron estos cristales verticalmente para introducir un gradiente de deformación fuera del plano y realizaron experimentos para caracterizar la eficiencia flexofotovoltaica (Fig. 1).
Debido a que el MAPB es centrosimétrico a temperatura ambiente, el condensador MAPB genera una fotocorriente insignificante cuando está plano, pero al doblarlo se activa el efecto fotovoltaico. Bajo iluminación, tanto la fotocorriente como el fotovoltaje medidos aumentan linealmente con el gradiente de deformación aplicado. La respuesta observada supera la de STO en casi 3 órdenes de magnitud. Además, los investigadores demostraron que aumentando el gradiente de deformación (a través de una deformación local extremadamente grande obtenida aplicando presión con la punta de un microscopio de fuerza atómica), podían aumentar sustancialmente el fotovoltaje en el cristal, alcanzando valores de más del doble. mayor que la brecha material. Este logro es innovador ya que marca la primera demostración de un voltaje inducido flexofotovoltaico que excede la banda prohibida del material, destacando el vasto potencial de los gradientes de deformación para aumentar la eficiencia fotovoltaica.
Los condensadores MAPI, por el contrario, muestran un efecto fotovoltaico sustancial incluso en estado plano. Este efecto se atribuye a la presencia de una polarización macroscópica dentro del cristal cuyo origen aún no ha sido establecido (podría deberse a un efecto ferroeléctrico o gradientes químicos en el material). De manera análoga al comportamiento observado previamente en materiales ferroeléctricos, este efecto fotovoltaico en masa en el cristal MAPI se puede modular aplicando una polarización externa. Al doblar el cristal, el efecto flexofotovoltaico se suma al efecto fotovoltaico masivo innato, lo que lleva a un aumento o disminución de la fotocorriente dependiendo del signo del gradiente de deformación aplicado. Por tanto, los experimentos con condensadores MAPI muestran que el efecto flexofotovoltaico puede coexistir con otros efectos fotovoltaicos en masa, ofreciendo una opción para combinar múltiples fenómenos que mejoran la eficiencia.
El notable rendimiento del efecto flexofotovoltaico observado por Catalan, Shu y sus colaboradores en cristales de haluro de perovskita valida la capacidad de los gradientes de deformación para aumentar la eficiencia de la captación de energía solar. El módulo de elasticidad relativamente bajo de estos materiales de perovskita de haluro sugiere una mayor tolerancia a la deformación mecánica en comparación con los semiconductores orgánicos tradicionales como el silicio, lo que significa que se pueden incorporar gradientes de deformación significativos en un dispositivo operativo. El siguiente paso sería demostrar la combinación de efectos tradicionales y flexofotovoltaicos. Tal paso implicaría diseñar configuraciones de dispositivos que integren ambos campos integrados en uno. p-n gradientes de unión y deformación. Los resultados obtenidos para las perovskitas de haluros muestran que la combinación de los dos efectos tiene un gran potencial para superar la tiranía del límite de Shockley-Queisser -que establece que la eficiencia máxima de una célula solar basada en una sola pn La unión no puede exceder aproximadamente el 30%.
Referencias
- MM. yang y otra.“Efecto flexofotovoltaico” Ciencia 360904 (2018).
- Z.Wang y otra.«Efecto flexofotovoltaico y fotovoltaje por encima de la banda prohibida inducido por gradientes de deformación en perovskitas de haluro». Físico. Rdo. 132086902 (2024).
- dulces wg, Piezoelectricidad (Publicaciones de Dover, Mineola, Nueva York, 2018)[Amazon][WorldCat].
- BI Sturman y VM Fridkin, Efectos fotovoltaicos y fotorrefractivos en materiales no centrosimétricos. (Gordon y Breach Science Publishers, Filadelfia, 1992)[Amazon][WorldCat].
- B.Wang y otra.“Flexoelectricidad en sólidos: avances, desafíos y perspectivas” Programa. Asunto. Ciencia. 106100570 (2019).
- P. Zubko y otra.“Efecto flexoeléctrico en sólidos” Anu. Rev. Mater. Res. 43387 (2013).
- Jena y otra.«Energía fotovoltaica de perovskita de haluro: historia, estado y perspectivas de futuro». Químico. Rdo. 1193036 (2019).
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