Una antigua explicación de por qué los materiales de perovskita hacen tan buenas células solares se ha puesto en duda gracias a las nuevas mediciones. Anteriormente, los físicos atribuyeron las propiedades optoelectrónicas favorables de las perovskitas de haluro de plomo al comportamiento de las cuasipartículas llamadas polarones dentro de la red cristalina del material. Ahora, sin embargo, experimentos detallados en Alemania Sincrotrón BESSY II reveló que no hay grandes polarones presentes. El trabajo arroja nueva luz sobre cómo se pueden optimizar las perovskitas para aplicaciones del mundo real, incluidos diodos emisores de luz, láseres semiconductores y detectores de radiación, así como células solares.
Las perovskitas de haluro de plomo pertenecen a una familia de materiales cristalinos con un ABX3 estructura, donde A es cesio, metilamonio (MA) o formamidinio (FA); B es plomo o estaño; y X es cloro, bromo o yodo. Son candidatos prometedores para células solares de película delgada y otros dispositivos optoelectrónicos porque sus bandas prohibidas ajustables les permiten absorber luz en una amplia gama de longitudes de onda en el espectro solar. Los portadores de carga (electrones y huecos) también se difunden a través de ellos a largas distancias. Estas excelentes propiedades otorgan a las células solares de perovskita una eficiencia de conversión de energía de más del 18 %, lo que las sitúa a la par de los materiales de células solares establecidos, como el silicio, el arseniuro de galio y el telururo de cadmio.
Sin embargo, los investigadores aún no están seguros de por qué los portadores de carga viajan tan bien en las perovskitas, especialmente porque las perovskitas contienen muchos más defectos que los materiales de células solares establecidos. Una hipótesis es que los polarones, partículas compuestas formadas por un electrón rodeado por una nube de fonones iónicos o vibraciones de red, actúan como pantallas, evitando que los portadores de carga interactúen con los defectos.
Medición de la energía cinética de los electrones.
En el último trabajo, un equipo dirigido por el físico de estado sólido Oliver Rader de las Helmholtz-Zentrum Berlín probó esta hipótesis utilizando una técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). Esta técnica proporciona información sobre la estructura de bandas electrónicas de un material a través de la energía cinética. E= 1 / 2 mv2 de sus electrones, donde m es la masa del electrón y v es su velocidad. Escrito en términos del momento del electrón p=mv, esta relación corresponde a una parábola E=(p2) / (2m) que se pueden medir directamente en el experimento.
Si los polarones están realmente presentes durante el transporte de carga, los electrones deberían moverse más lentamente y, por lo tanto, su masa efectiva debería ser mayor, gracias a las interacciones con los polarones. Cuanto mayor sea la masa efectiva del electrón, menor será la curvatura de la parábola. Sin embargo, las mediciones dirigidas por un miembro del equipo Maryam Sajedi en muestras de CsPbBr cristalino3 no pudo identificar la reducción esperada en la curvatura de la parábola. Esto fue una sorpresa, dice Rader, porque la teoría predijo una mejora de la masa efectiva en un 28 % en una perovskita de haluro de plomo relacionada, mientras que un experimento de la competencia obtuvo una mejora del 50 % a partir de los datos de ARPES.
Rader atribuye la discrepancia a una combinación de factores. En principio, dice, la masa efectiva es simple de medir, pero hay una advertencia importante. “Medimos una parábola en la energía de enlace versus el impulso (donde el impulso proviene directamente del 'ángulo' en 'fotoemisión resuelta en ángulo')”, explica. "Sin embargo, en un sólido tridimensional, esta parábola es un corte de un paraboloide tridimensional, y si no lo cortamos en su vértice, podemos obtener una masa efectiva incorrecta, generalmente más alta".
Rader continúa explicando que en ARPES, el impulso en las direcciones x e y está relacionado con el ángulo de emisión de electrones, pero el impulso en la dirección z está determinado por la energía de los fotones utilizados para excitar los electrones. En el caso de BESSY II, esta energía fotónica proviene de la radiación de sincrotrón en longitudes de onda en la región ultravioleta de vacío del espectro. Por lo tanto, la parte principal del trabajo experimental fue encontrar la energía fotónica correcta para determinar la masa efectiva, dice.
En busca de nuevas soluciones para celdas solares baratas y estables
Otra tarea fue calcular la masa efectiva esperada sin polarones. “Utilizamos un método avanzado y descubrimos que los cálculos anteriores predijeron una masa efectiva demasiado pequeña”, dice Rader. “Por lo tanto, el problema con este trabajo anterior era mitad experimental y mitad teórico”.
Una técnica fiable
Rader señala que ARPES detectó previamente una mejora en la masa efectiva de electrones debido a la presencia de polarones en dos compuestos que no son perovskita, TiO2 y SrTiO3. Por lo tanto, es una técnica confiable para este tipo de medición, dice. “Nuestra conclusión es que nuestro método experimental muestra que no hay indicios de formación de grandes polarones”, dice. "Este resultado debería conducir a una reevaluación de las teorías que predicen la presencia y un papel importante de los polarones para las propiedades de las perovskitas de haluro de plomo, y lo que es más importante, su alta eficiencia como material de células solares".
Como seguimiento, los investigadores dicen que les gustaría realizar mediciones similares en una muestra de CsPbBr cristalino.3 mientras lo iluminan, pero esperan que esto sea un "desafío" experimental. Informan sobre su investigación actual en Physical Review Letters.
