Las perovskitas son el material estrella para la próxima generación de celdas solares. Sin embargo, su uso se ve todavía limitado por la inestabilidad que presentan en condiciones ambientales. En lugar de absorber toda la luz visible y, por tanto, ser negras, algunos de estos supermateriales tienden a presentarse bajo otra estructura que es de color amarillo. La forma negra es la única ópticamente activa, de modo que el reto actual es conseguir películas finas de perovskita negras suficientemente estables para producir dispositivos optoelectrónicos funcionales.
Un equipo internacional, liderado por la KU Leuven en Bélgica, ha arrojado luz a este problema con un innovador método para estabilizar la forma negra: fijando las películas finas de perovskita en un sustrato de cristal que les obliga a mantenerse bajo la forma deseada. Las técnicas de luz de sincrotrón del ALBA, en Cerdanyola del Vallès en Barcelona, y del ESRF (el European Synchrotron Radiation Facility) en la localidad francesa de Grenoble han sido claves para este estudio, publicado recientemente en Science.
La búsqueda de nuevos materiales para producir celdas solares eficientes y poco costosas hace tiempo que está en marcha. Las perovskitas de haluros de metal se han postulado como los materiales estrella para captar la energía solar, con un prometedor alto rendimiento (el récord de eficiencia actualmente se encuentra en el 24% de energía solar convertida en electricidad) y con unos requisitos y costes de procesamiento relativamente bajos.
Los dispositivos basados en perovskitas han entrado recientemente en el mercado comercial de las celdas solares, pero su éxito depende de la mejora de su estabilidad a largo plazo. Esto se debe al hecho que algunos de estos prometedores materiales de perovskita, como el triioduro de plomo cesio (CsPbI3), se resisten a permanecer en su forma negra más eficiente y ser funcionales en condiciones normales.
En lugar de ser negro, el CsPbI3 tiende a formar otra estructura de color amarillo. Por este motivo, la investigación actual se centra en resolver este problema: ¿Cómo obtener una película fina y estable de CsPbI3 negra para dispositivos que funcionen en condiciones reales ambientales?
En este contexto es en el que el equipo de KU Leuven ha descubierto una innovadora solución a este problema, desvelando que precisamente la estructura plana de las celdas solares de perovskita puede ayudar a estabilizar las películas finas de CsPbI3 negras. Han demostrado que, formando una unión fuerte entre la perovskita y el sustrato de cristal que la sostiene, este último puede funcionar como un moldeque fija y obliga a la perovskita a mantenerse en la forma negra.
La ayuda de dos sincrotrones
Los análisis se han llevado a cabo tanto en el Sincrotrón ALBA como en el sincrotrón europeo ESRF en Grenoble mediante la técnica de difracción no cristalina. Las muestras de películas de CsPbI3 fueron calentadas hasta 330ºC encima del sustrato de cristal, que tiene una estructura similar a la forma negra de la perovskita. Después, se volvió rápidamente a temperatura ambiente de manera que este cambio y enfriamiento brusco es el que provoca el anclaje de la perovskita negra en el cristal y restringe la tendencia de ésta a pasarse a la forma amarilla.
La técnica de luz de sincrotrón utilizada se denomina concretamente GIWAXS (en inglés siglas de dispersión de rayos X en altos ángulos de incidencia rasante), donde los rayos X de la luz del Sincrotrón inciden en la muestra plana de perovskita y se dispersan proyectando señales de difracción en forma de anillo en el detector, que puede registrar rápidamente los datos.
“Con esta moderna técnica podemos analizar con gran resolución la estructura de estos materiales y entender los cambios que hemos inducido en las películas de perovskita para conseguir mantenerlas estables bajo la forma negra deseada” comenta Eduardo Solano, investigador postdoctoral de la línea de luz NCD-SWEET del ALBA donde se han realizado parte de los experimentos.
Los resultados confirman que la sujeción y la tensión por parte del sustrato son un factor clave en el diseño de los dispositivos optoelectrónicos basados en perovskita. “El descubrimiento proporciona un mecanismo de estabilización totalmente nuevo y diferente de otros métodos, que normalmente implican una alteración química y morfológica del material”, explica Julian Steele, científico de la KU Leuven y autor principal de la investigación. “Es un avance fundamental para las tecnologías basadas en películas de perovskitas”, añade.
Además de KU Leuven y los dos sincrotrones, en este estudio han participado investigadores de la Universidad de Gante en Bélgica, la Universidad Occidental de Washington en Estados Unidos, la Universidad de Toronto en Canadá, la Universidad de Castilla-La Mancha y la Universidad de Nanjing en China.
