Los materiales de perovskita constituyen una alternativa más barata al silicio para producir dispositivos optoelectrónicos, como células solares y lámparas LED. Hay muchas perovskitas diferentes, resultado de diferentes combinaciones de elementos, pero una de las más prometedoras que ha surgido en los últimos años es el cristal FAPbI3, basado en formamidinio (FA).
Este compuesto es térmicamente estable y su "banda prohibida" (la energía mínima necesaria para excitar el electrón y, por tanto, la propiedad más estrechamente vinculada a la producción de energía del dispositivo), está muy cerca de ser pefecta para aplicaciones fotovoltaicas. Por estas razones, se están realizando esfuerzos para desarrollar células solares de perovskita tipo FAPbI3 disponibles comercialmente. Sin embargo, el compuesto puede existir en dos fases ligeramente diferentes; y mientras una fase conduce a un excelente rendimiento fotovoltaico, la otra produce muy poca cantidad de energía.
"Un gran problema con FAPbI3 es que la fase que se desea solo es estable a temperaturas superiores a 150 grados Celsius", explica Tiarnan Doherty, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, primer autor del artículo. "A temperatura ambiente pasa a la otra fase, lo que es realmente malo para la energía fotovoltaica".
Las soluciones más recientes para mantener el material en su fase deseada a temperaturas más bajas han involucrado la adición al compuesto de diferentes iones positivos y negativos. "Esta ha tenido éxito y ha dado lugar a un récord de dispositivos fotovoltaicos, pero todavía se producen pérdidas de energía", dice Doherty. "Hay zonas en la película que no están en la fase correcta", explica.
Hasta ahora se sabía poco acerca de por qué las adiciones de estos iones mejoran la estabilidad en general del compuesto, o incluso sobre la estructura de la perovskita resultante. Ahora, los investigadores de Cambridge han demostrado que al agregar estos iones, las estructuras resultantes sufren una distorsión estructural muy sutil, que les da estabilidad a temperatura ambiente.
La distorsión es tan pequeña que previamente no se había detectado, hasta que Doherty y sus colegas utilizaron técnicas sensibles de medición estructural que no se habían utilizado de manera amplia en materiales de perovskita. En concreto, emplearon difracción electrónica de barrido, difracción de nano-rayos X y resonancia magnética nuclear para ver, por primera vez, el aspecto de la estrutura en esta fase estable.
"Una vez que nos dimos cuenta de que era la ligera distorsión estructural la que daba esta estabilidad, buscamos la forma de lograrlo en la preparación de la película sin agregar ningún otro elemento a la mezcla".
Satyawan Nagane, coautor de la investigación, usó una molécula orgánica llamada ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) como aditivo en la solución precursora de perovskita, que actúa a modo de plantilla, guiando a la perovskita a la fase deseada a medida que se forma. El EDTA se une a la superficie de FAPbI3 para dar un efecto de dirección de estructura, pero no se incorpora a la estructura de FAPbI3 en sí.
"Con este método, podemos lograr la banda prohibida deseada porque no estamos agregando nada adicional al material, es solo una plantilla para guiar la formación de una película con la estructura distorsionada, y la película resultante es extremadamente estable", dice Nagane.
"De esta manera, podemos crear esta estructura ligeramente distorsionada en solo el compuesto FAPbI3, sin modificar las otras propiedades electrónicas de lo que es esencialmente un compuesto casi perfecto para la energía fotovoltaica de perovskita", añade otro de los investigadores, Dominik Kubicki, del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Warwick.
Los auotres del hallazgo esperan que este estudio ayude a mejorar la estabilidad y el rendimiento de la perovskita y las putas de fabricación de estos materiales y ayudar con ello a lograr células fotovoltaicas de perovskita perfectas.
