Los investigadores del Forschungszentrum Jülich han descubierto que los portadores de carga gratuita en las células solares de perovskita tienen una forma especial de protección contra la recombinación mediante innovadoras mediciones de fotoluminiscencia. Las células solares de perovskita son altamente eficientes y relativamente económicas de producir, y en los últimos años han sido objeto de repetidas sorpresas. Ahora, los científicos del Forschungszentrum Jülich han descubierto otra característica especial de estas células utilizando una nueva técnica de medición de fotoluminiscencia. Descubrieron que la pérdida de portadores de carga en este tipo de célula sigue leyes físicas diferentes a las conocidas para la mayoría de los semiconductores. Esto puede ser una de las principales razones de su alto nivel de eficiencia. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Materials.
Las células solares de perovskita se consideran altamente prometedoras para la fotovoltaica, aunque su estabilidad deja mucho que desear. Este tipo de células son económicas de imprimir y muy eficientes. En la última década, su eficiencia se ha duplicado a más del 25%, por lo que actualmente está a la par de las células solares convencionales hechas de silicio. Además, parece posible lograr mayores mejoras en el futuro.
«Un factor importante en esto es la cuestión de cuánto tiempo los portadores de carga excitados permanecen en el material, es decir, su tiempo de vida», explica Thomas Kirchartz. «Entender los procesos es crucial para mejorar aún más la eficiencia de las células solares a base de perovskita». Kirchartz es el líder de un grupo de trabajo sobre células solares orgánicas e híbridas en el Instituto de Investigación de Energía y Clima (IEK-5) del Forschungszentrum Jülich. En una célula solar, los electrones son desplazados por fotones y elevados a un nivel de energía más alto desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Solo entonces pueden moverse libremente y fluir a través de un circuito externo. Solo pueden contribuir a la generación de energía eléctrica si su tiempo de vida es lo suficientemente largo como para pasar a través del material absorbedor hasta el contacto eléctrico. Un electrón excitado también deja un hueco en la banda de valencia subyacente, una vacante móvil que puede moverse a través del material como un portador de carga positiva. Son principalmente los defectos en el enrejado cristalino los que aseguran que los electrones excitados caigan rápidamente a niveles de energía más bajos nuevamente. Los electrones afectados ya no pueden contribuir al flujo de corriente. «Este mecanismo también se conoce como recombinación y es el principal proceso de pérdida de cada célula solar», dice Kirchartz. Ninguna célula solar es perfecta a nivel atómico; cada una tiene diferentes tipos de defectos debido al proceso de fabricación. Estos defectos o átomos extraños en la estructura del enrejado son los puntos de recogida donde los electrones y los huecos tienden a reunirse. Los electrones luego caen de vuelta a la banda de valencia y se vuelven inútiles en términos de generación de electricidad. «Anteriormente se asumía que la recombinación era predominantemente desencadenada por defectos que se encuentran energéticamente en el medio entre las bandas de valencia y conducción. Esto se debe a que estos defectos profundos son accesibles de manera similar para los electrones excitados y sus contrapartes, los huecos», dice Kirchartz. De hecho, esto es probablemente cierto para la mayoría de los tipos de células solares. Sin embargo, Kirchartz y su equipo han desmentido esta suposición para las células solares de perovskita y han demostrado que los defectos superficiales son decisivos en última instancia en términos de eficiencia. A diferencia de los defectos profundos, no se encuentran en el medio de la brecha de banda, sino muy cerca de la banda de valencia o conducción. «La causa de este comportamiento inusual aún no se ha aclarado por completo», agrega Kirchartz. «Es razonable suponer que los defectos profundos simplemente no pueden existir en estos materiales. Esta restricción también puede ser una de las razones por las cuales las células tienen una eficiencia particularmente alta». La observación solo fue posible gracias a innovadoras mediciones de fotoluminiscencia transitoria. En mediciones anteriores, no fue posible distinguir los procesos de pérdida causados por defectos superficiales de aquellos causados por otros factores. El nuevo método de medición desarrollado por Thomas Kirchartz y su equipo en el Forschungszentrum Jülich proporciona datos con un rango dinámico significativamente mayor en comparación con la tecnología convencional, es decir, datos sobre un rango de medición más amplio y con una mejor graduación fina. El proceso se basa en un principio similar a las imágenes HDR de alta calidad de rango dinámico. El rango dinámico de la cámara se incrementa mediante la superposición de diferentes imágenes o mediciones, en este caso señales con diferentes niveles de amplificación, para crear un conjunto de datos.
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