El silicio, el material semiconductor estándar utilizado en multitud de aplicaciones -unidades centrales de procesamiento (CPU), chips semiconductores, detectores y células solares-, es un material abundante en la naturaleza. Sin embargo, su extracción y purificación son caras.
Por ello, las perovskitas -una familia de materiales apodados así por su estructura cristalina- se han mostrado extraordinariamente prometedoras en los últimos años como sustituto mucho menos costoso e igual de eficiente del silicio en células solares y detectores. Ahora, un estudio dirigido por Chunlei Guo, profesor de Óptica de la University of Rochester, sugiere que las perovskitas pueden llegar a ser mucho más eficientes.
Normalmente, los investigadores sintetizan las perovskitas en un laboratorio experimental y, a continuación, aplican el material en forma de película sobre un sustrato de vidrio y exploran diversas aplicaciones.
Guo, en cambio, propone un enfoque novedoso basado en la física. Utilizando un sustrato con una capa de metal o capas alternas de metal y material dieléctrico -en lugar de vidrio-, él y sus coautores descubrieron que podían aumentar la eficiencia de conversión de luz de la perovskita en un 250%.
Sus hallazgos se han publicado en Nature Photonics.
«Nadie había llegado a esta conclusión en el campo de las perovskitas«, afirma Guo. «De repente, podemos poner una plataforma metálica debajo de una perovskita, cambiando completamente la interacción de los electrones dentro de la perovskita. Así, utilizamos un método físico para diseñar esa interacción».
Figura 1. Esta ilustración del laboratorio Guo muestra la interacción entre un material de perovskita (cian) y un sustrato de material metal-dieléctrico. Los pares rojo y azul son pares electrón-hueco. Las imágenes reflejadas en el sustrato reducen la capacidad de los electrones excitados de la perovskita para recombinarse con sus núcleos atómicos, lo que aumenta la eficiencia de la perovskita para captar luz solar. Crédito: Chloe Zhang.
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La novedosa combinación perovskita-metal crea «una física sorprendente»
Los metales son probablemente los materiales más simples de la naturaleza, pero se puede hacer que adquieran formas complejas. El laboratorio de Guo tiene una amplia experiencia en este sentido.
El laboratorio ha sido pionero en una serie de tecnologías que transforman metales simples en negros como el carbón, superhidrofílicos (que atraen el agua) o superhidrofóbicos (que la repelen). En sus estudios recientes, los metales mejorados se han utilizado para la absorción de energía solar y la purificación del agua.
En este nuevo trabajo, en lugar de presentar una forma de mejorar el propio metal, el laboratorio de Guo demuestra cómo utilizar el metal para mejorar la eficiencia de las perovskitas.
«Un trozo de metal puede hacer tanto trabajo como una compleja ingeniería química en un laboratorio experimental», afirma Guo, y añade que la nueva investigación puede ser especialmente útil para la futura captación de energía solar.
En una célula solar, los fotones de la luz solar tienen que interactuar con los electrones y excitarlos, haciendo que los electrones abandonen sus núcleos atómicos y generando una corriente eléctrica, explica Guo. Lo ideal sería que la célula solar utilizara materiales débiles que atrajeran los electrones excitados de vuelta a los núcleos atómicos y detuvieran la corriente eléctrica.
El laboratorio de Guo demostró que esa recombinación podía evitarse sustancialmente combinando un material de perovskita con una capa de metal o un sustrato metamaterial formado por capas alternas de plata, un metal noble, y óxido de aluminio, un dieléctrico.
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El laboratorio pudo utilizar un sencillo detector para observar el aumento resultante del 250% en la eficiencia de conversión de la luz.
El resultado fue una reducción significativa de la recombinación de electrones a través de «un montón de física sorprendente», dice Guo. En efecto, la capa metálica sirve de espejo, lo que crea imágenes invertidas de los pares electrón-hueco, debilitando la capacidad de los electrones para recombinarse con los huecos.
Antes de que las perovskitas puedan aplicarse en la práctica, hay que resolver varios problemas, sobre todo su tendencia a degradarse con relativa rapidez. En la actualidad, los investigadores se apresuran a encontrar nuevos materiales de perovskita que sean más estables.
«A medida que surjan nuevas perovskitas, podremos utilizar nuestro método basado en la física para mejorar aún más su rendimiento», afirma Guo.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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