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Aspectos de alta eficiencia Células solares de perovskita descubiertas con luz 10 mil millones de veces más brillantes que el sol

Aspectos de alta eficiencia Células solares de perovskita descubiertas con luz 10 mil millones de veces más brillantes que el sol

Celda unitaria de MAPbI3

El dibujo ilustra la interacción del catión orgánico de metilamonio (CH3NH3 +) con los iones de yoduro circundantes. El desplazamiento de los átomos de yoduro fuera del plano común con plomo provoca la ruptura de la simetría de inversión. Crédito: HZB

Utilizando análisis cristalográficos en el Fuente de luz de diamante (DLS) sincrotrón en el Reino Unido, un equipo de HZB ha demostrado que las perovskitas de haluro híbrido cristalizan sin centro de inversión. Las interacciones entre las moléculas orgánicas y los átomos de yodo adyacentes pueden conducir a la formación de dominios ferroeléctricos, que, indirectamente, pueden dar lugar a una mayor eficiencia de las células solares. La formación de estos dominios ferroeléctricos no puede ocurrir en perovskitas puramente inorgánicas.

Las células solares basadas en perovskitas han alcanzado eficiencias enormemente altas en unos pocos años, solo. Aquellos que contienen perovskita de haluro híbrido, es decir, materiales que contienen componentes inorgánicos y orgánicos, alcanzan eficiencias particularmente altas, pero aún carecen de estabilidad a largo plazo. Aunque los semiconductores inorgánicos de perovskita, como CsPbI3, son menos eficientes, también se consideran interesantes, ya que pueden superar los problemas de estabilidad de las perovskitas híbridas.

Análisis profundo de la estructura cristalina

Hasta ahora, se suponía que las perovskitas híbridas y puramente inorgánicas no difieren fundamentalmente en su estructura cristalina. Cuando se producen materiales de perovskita, a menudo ocurre que no se forman grandes cristales individuales, sino innumerables pequeños cristales gemelos. Esto hace que el análisis de la estructura cristalina sea particularmente complicado y propenso a errores y baja precisión.

Un equipo de HZB encabezado por la profesora Susan Schorr y el Dr. Joachim Breternitz ha logrado un gran avance en la comprensión de la estructura cristalina de las perovskitas de haluro híbrido. El equipo investigó muestras cristalinas de yoduro de plomo metilamonio (MAPbI3), el representante más destacado de esta clase de materiales, en el sincrotrón de fuente de luz de diamante (DLS) en el Reino Unido utilizando difracción de cristal único de alta resolución. Este enfoque proporcionó datos para un análisis más profundo de la estructura cristalina de este material.

Dominios ferroeléctricos

También pudieron aclarar si los efectos ferroeléctricos son posibles en esta perovskita de haluro híbrido. Los dominios ferroeléctricos pueden tener efectos favorables en las células solares y aumentar su eficiencia. Sin embargo, medir este efecto en las muestras es difícil: un resultado nulo puede significar que no hay efecto ferroeléctrico o que los dominios ferroeléctricos cancelan los efectos del otro.

No hay centro de inversión en MAPbI3

"Desde el punto de vista cristalográfico, algunas condiciones son necesarias para la ferroelectricidad: un efecto ferroeléctrico solo puede ocurrir si la estructura cristalina no contiene un centro de inversión, y adicionalmente si exhibe un momento polar permanente", explica Breternitz.

Anteriormente, se suponía que la estructura cristalina de MAPbI3 contenía un centro de inversión. Sin embargo, los resultados del análisis de la estructura cristalina muestran que este no es el caso: "El catión de metilamonio orgánico MA + juega un papel importante en esto", explica Breternitz. Esto se debe a que la molécula de MA no es esféricamente simétrica y también es considerablemente más grande que una sola átomo, de modo que genera un momento polar con los átomos de yodo adyacentes. Por lo tanto, es posible la aparición de dominios ferroeléctricos en MAPbI3.

Diferencia fundamental entre perovskitas híbridas y anorgánicas

Para las perovskitas inorgánicas que incorporan un átomo alcalino en lugar de la molécula de MA, este mecanismo no es aplicable. Eso significa que las perovskitas inorgánicas más estables pueden ser fundamentalmente algo más limitadas en su eficiencia que sus parientes de haluros híbridos.

El estudio se publica en Angewandte Chemie.

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Referencia: "Papel de la interacción yodo-metilamonio en la ferroelectricidad de CH3NH3PbI3" por el Dr. J. Breternitz, F. Lehmann, Dr. S. A. Barnett, Dr. H. Nowell y Prof. S. Schorr, 14 octubre 2019, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.201910599