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Los científicos descubren lo que hace que la perovskita sea tan impresionante para las células solares

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La perovskita, un mineral hecho de sales de plomo, ha surgido como un material prometedor en la creación de células solares fuertes de bajo costo, ya que permite que la tecnología se imprima en 3D y dure hasta 25 años, y ahora un nuevo estudio ha descubierto la estructura de este material ‘mágico’.

Los científicos de la Universidad de Cambridge encontraron dos formas de desorden, o estructuras, que ocurren en paralelo dentro de las perovskitas: un desorden electrónico y un desorden químico espacial.

El desorden electrónico reduce el rendimiento del panel solar. y luego el desorden químico espacial parece mejorarlo, según el estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge, Kyle Frohna.

“Y lo que hemos descubierto es que el trastorno químico, el trastorno ‘bueno’ en este caso, mitiga el trastorno ‘malo’ de los defectos al canalizar los portadores de carga lejos de estas trampas en las que de otro modo podrían quedar atrapados ”, dijo Frohna. compartido en un comunicado de prensa.

La perovskita, un mineral con una estructura cristalina específica, ha demostrado un rendimiento impresionante en la creación de células solares fuertes y eficientes (en la imagen) que pueden durar alrededor de 25 años, y ahora un nuevo estudio ha descubierto las propiedades de este ‘material milagroso’.

Perovskita es un término utilizado para describir la estructura de cristal mineral que se encuentra en las especies minerales de óxido de calcio y titanio, hecha de sales de plomo, y se utilizó por primera vez para las células solares en 2009.

Este material ha demostrado una excelente absorción de luz, movilidad de portadores de carga y una mayor vida útil de las células solares a lo largo de los años. que brinda oportunidades para crear células solares duraderas y de bajo costo.

Dado que la perovskita contiene led, las células solares fabricadas con el mineral se consideran tóxicas para el medio ambiente y un peligro para la salud en serie, según un estudio separado del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana.

El profesor László Forró de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL, que no participó en el estudio de Cambridge, dijo en un comunicado: “ La conversión de energía solar en electricidad de las células solares de perovskita es increíblemente alta, alrededor del 25%, que ahora se acerca al rendimiento de las mejores células solares de silicio.

Perovskita es un término utilizado para describir la estructura de cristal mineral que se encuentra en las especies minerales de óxido de calcio y titanio, hecha de titanato de calcio, y se usó por primera vez para células solares en 2009 (foto de stock)

Perovskita es un término utilizado para describir la estructura de cristal mineral que se encuentra en las especies minerales de óxido de calcio y titanio, hecha de titanato de calcio, y se usó por primera vez para células solares en 2009 (foto de stock)

“Pero su elemento central es el plomo, que es un veneno; si el panel solar falla, puede arrastrarse al suelo, meterse en la cadena alimentaria y causar enfermedades graves ”.

La mayoría de las células solares están hechas con un panel de silicona cristalina que cuesta, en promedio, $ 2,50 por pie cuadrado, mientras que las fabricadas con módulos de perovskita cuestan alrededor de $ 0,25 por pie cuadrado.

“En los materiales de células solares convencionales como el silicio (del que están hechos más del 90% de todos los paneles), el desorden (o desorden a escala atómica en el material) siempre es una mala noticia”, dijo Frohna a DailyMail.com en un correo electrónico.

Eficiencia de la celda solar

Alrededor del 85 por ciento de la energía fotovoltaica que se utiliza actualmente está hecha de silicio cristalino.

Es caro de producir y normalmente tiene una tasa de conversión del 25 por ciento, en promedio.

Esto ha obligado a los científicos a buscar alternativas, como la perovskita.

Perovskita es un término utilizado para describir la estructura del cristal mineral que se encuentra en las especies minerales de óxido de calcio y titanio, compuesto de sales de plomo. Se utilizó por primera vez para las células solares en 2009, pero la eficiencia fue pobre.

Luego, los investigadores de Oxford utilizaron polímeros para fabricar células sólidas, que finalmente se diseñaron con eficiencias del 16 por ciento.

En 2012 se demostró la eficacia de la energía fotovoltaica basada en perovskita de haluros organometálicos.

Pero aquí, en estos materiales de perovskita de haluro, hemos encontrado dos formas competitivas de ‘desorden’, una que es mala y otra que es útil.

El mismo equipo de Cambridge, mostró el año pasado cómo la estructura desordenada aumenta el rendimiento de la optoelectrónica de perovskita y su último trabajo explica por qué.

Para hacerlo, el equipo utilizó una nueva serie de técnicas de microscopía en la nueva investigación.

Trabajando con la instalación de sincrotrón Diamond Light Source en Didcot y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón, los investigadores utilizaron varias técnicas microscópicas diferentes para observar las mismas regiones en la película de perovskita.

Esto les permitió comparar los resultados de todos estos métodos para presentar la imagen completa de lo que está sucediendo a un nivel de nanoescala en estos nuevos materiales prometedores.

“ La idea es que hagamos algo llamado microscopía multimodal, que es una forma muy elegante de decir que miramos el mismo área de la muestra con varios microscopios diferentes y básicamente tratamos de correlacionar las propiedades que extraemos de uno con las propiedades que extraemos. de otro ”, dijo Frohna.

Explicó que el trastorno ‘malo’ se compone de regiones más pequeñas donde los electrones reciben energía de la luz solar, que normalmente se extraen como electricidad, pueden quedar atrapados.

“Cuando se quedan atrapados en estas trampas, como las llamamos, ya no se pueden extraer como electricidad y terminan perdiendo su energía en forma de calor”, dijo Frohna a DailyMail.com.

“Esta energía se desperdicia y no se convierte en electricidad, por lo que reduce el rendimiento como se mencionó anteriormente”.

Y el trastorno “bueno” es de naturaleza química.

“La perovskita está hecha de tres componentes organizados en una estructura específica de ‘perovskita'”, explicó Frohna.

«Uno de estos componentes está compuesto por haluros (yodo y bromo) mezclados en una determinada proporción.

“Cambiar la proporción de yodo a bromo cambia la energía que mantienen los electrones cuando absorben la luz solar. Hemos descubierto que en la nanoescala, la proporción de yodo y bromo varía mucho, lo que se denomina desorden químico.

“Este desorden químico crea colinas y valles energéticos para los electrones en estos materiales desordenados.

“Al igual que una bola en la cima de una colina rueda hacia abajo, los electrones quieren hacer lo mismo”.

Los hallazgos permitirán al grupo y a otros en el campo refinar aún más la forma en que se fabrican las células solares de perovskita para maximizar la eficiencia.

Miguel Anaya, becario de investigación de la Royal Academy of Engineering en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge, dijo en un comunicado: ‘En términos de la novedad del enfoque experimental, hemos seguido una estrategia de microscopía multimodal correlativa, pero no solo eso, cada uno independiente La técnica es de vanguardia por sí misma.

“Hemos visualizado y dado razones por las que podemos llamar a estos materiales tolerantes a defectos. Esta metodología permite nuevas rutas para optimizarlas a nanoescala y, en última instancia, funcionar mejor para una aplicación específica.

“Ahora, podemos ver otros tipos de perovskitas que no solo son buenos para las células solares sino también para los LED o detectores y comprender sus principios de funcionamiento”.

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