Pequeños pasos para los electrones, ¿grandes pasos para el futuro? Microscopio ultrarrápido revela trayectorias de electrones en células solares

En la búsqueda de métodos de generación de energía más eficientes y sostenibles, una clase de materiales llamados perovskitas de haluro metálico se ha mostrado muy prometedor. En los pocos años transcurridos desde su descubrimiento, nuevas células solares basadas en estos materiales ya han alcanzado eficiencias comparables a las de las células solares de silicio comerciales.

Sin embargo, las células solares de perovskita ofrecen importantes ventajas sobre las de silicio: sus costes de fabricación y energía son menores, ya que pueden producirse mediante procesos de recubrimiento rentables. Además, su flexibilidad y su naturaleza liviana permiten su aplicación en una amplia gama de superficies, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta fachadas de edificios innovadoras.

Pero, ¿cómo funciona realmente una célula solar? La luz solar, que consta de cuantos de luz individuales llamados fotones, es absorbida por la célula solar. Los fotones transfieren su energía a los electrones, elevándolos a estados de mayor energía donde pueden moverse libremente. A continuación, los electrones libres se extraen de los contactos eléctricos y se convierten en energía eléctrica utilizable.

Por lo tanto, la eficiencia de una célula solar depende crucialmente de la eficacia con la que estos portadores de carga de corta duración puedan viajar a través del material para llegar a los contactos antes de desintegrarse. Para optimizar aún más estratégicamente las células solares, es esencial comprender exactamente cómo se produce este transporte, incluidos los caminos que toman los electrones y qué impide su movimiento.

Esta desafiante tarea ha sido emprendida ahora por investigadores de la Universidad de Ratisbona dirigidos por el Prof. El Dr. Rupert Huber con un nuevo tipo de microscopio ultrarrápido que utiliza muestras personalizadas del Prof. Dr. Michael Johnston (Universidad de Oxford). El equipo pudo generar electrones libres y seguir su difusión en escalas de tiempo ultracortas. Sus descubrimientos son Publicado en el diario Fotónica de la naturaleza.

En las células solares de perovskita, esto plantea un desafío particular, ya que no son homogéneas, sino que están formadas por muchos granos pequeños que tienen un tamaño de apenas cientos de nanómetros (una milmillonésima parte de un metro). Además, estos nanocristales no son idénticos en toda la muestra; pueden existir a temperatura ambiente en una de dos estructuras atómicas diferentes, de las cuales sólo una es adecuada para su uso en células solares. Por lo tanto, es fundamental identificar la ubicación exacta y la estructura cristalina que se está investigando.

Para ello, los investigadores utilizaron un microscopio con capacidad de zoom a nanoescala, lo que permitió medir estos nanocristales uno por uno. Al mismo tiempo, se pueden utilizar métodos ópticos para verificar que estén colocados en un cristalito con la estructura atómica correcta.

«Hacemos vibrar los átomos de los nanocristales. Dependiendo de la disposición de los átomos, estas vibraciones crean firmas distintas en la luz dispersada, similar a una huella digital. Esto nos permite determinar con precisión cómo están dispuestos los átomos en los respectivos cristalitos», explica Martin Zizlsperger, primer autor de la publicación.

Una vez que el equipo conoció la forma exacta y la estructura cristalina de las nanoislas, iluminaron la muestra con un breve pulso de luz, que excitó electrones a estados móviles; eso es exactamente lo que sucede cuando el sol brilla sobre una célula solar. Luego, los investigadores pudieron medir el movimiento posterior de las cargas con un segundo pulso láser.

«En pocas palabras, las cargas se comportan como un espejo. Si estas cargas se mueven ahora, por ejemplo, por debajo de nuestro punto de medición, el segundo pulso láser se refleja más tarde. Entonces podemos reconstruir el movimiento exacto de las cargas basándonos en este pequeño retraso de apenas unos pocos femtosegundos, donde un femtosegundo es una millonésima de milmillonésima de segundo», explica la coautora Svenja Nerreter.

Esto permitió observar exactamente cómo se mueven los electrones excitados a través del laberinto de diferentes cristalitos. En particular, los investigadores también pudieron investigar el movimiento técnicamente relevante en dirección perpendicular a la superficie de la célula solar después de la excitación.

Los resultados fueron sorprendentes: aunque el material se compone de muchos nanocristales diferentes, el transporte de carga vertical en la escala de longitud nanométrica no se ve afectado por las irregularidades en la forma de los nanocristales. Esta podría ser una posible razón del éxito de las células solares de perovskita.

Sin embargo, cuando los investigadores estudiaron regiones más grandes en la escala de varios cientos de micrómetros, encontraron diferencias en la eficiencia del transporte de carga entre regiones de tamaño micrométrico compuestas por cientos de pequeños nanocristales, siendo algunas regiones más eficientes que otras.

Estos puntos críticos locales podrían ser de gran importancia para el desarrollo de nuevas células solares. El nuevo método de medición de los investigadores puede proporcionar información directa sobre la distribución y eficiencia de regiones individuales, lo que marca un paso importante hacia la mejora de las células solares de perovskita.

«Nuestro método recientemente desarrollado nos permite observar por primera vez la compleja interacción entre el transporte de carga, la configuración del cristal y la forma de los cristalitos directamente en la nanoescala. Por lo tanto, puede usarse para mejorar aún más las células solares de perovskita de manera específica». , explica el prof. Huber.

Sin embargo, el nuevo concepto de medición no se limita a las células solares, ya que la interacción entre la estructura y el transporte de carga es de vital importancia para una amplia variedad de aplicaciones modernas.

El avance también podría avanzar significativamente en el desarrollo de transistores ultrapequeños de alta velocidad y ayudar a desbloquear uno de los mayores misterios de la física del estado sólido: la superconductividad de alta temperatura.