DESCOBERT UN NOU MÈTODE PER DISSENYAR PLAQUES SOLARS DE PEROVSKITA MÉS EFICIENTS I ESTABLES

Les perovskites són el material estrella per la pròxima generació de cel·les solars. Tanmateix, el seu ús encara es veu limitat per la inestabilitat que presenten en condicions ambientals. En comptes d’absorbir tota la llum visible i, per tant, ser negres, alguns d’aquests súper materials tendeixen a presentar-se sota una altra estructura que és de color groc. La forma negra és l’única òpticament activa, de manera que el repte actual és aconseguir pel·lícules fines de perovskita negres prou estables per produir dispositius optoelectrònics funcionals. Un equip de recerca internacional, liderat per la KU Leuven a Bèlgica, ha aportat llum a aquest problema amb un innovador mètode per estabilitzar la forma negra: fixant les pel·lícules fines de perovskita en un substrat de vidre que les obliga a mantenir-se sota la forma desitjada. Les tècniques de llum de sincrotró de l’ALBA i de l’ESRF (l’European Synchrotron Radiation Facility) a Grenoble han estat claus per aquest estudi, publicat avui a Science.

Cer IM-perovplaq danyola del Vallès, 26 de juliol de 2019 La recerca de nous materials per produir cel·les solars eficients i poc costoses fa temps que està en marxa. Les perovskites d’halurs de metall s’han postulat com els materials estrella per captar l’energia solar, amb un prometedor alt rendiment (el rècord d’eficiència actualment es troba en el 24% d’energia solar convertida en electricitat) i amb uns requisits i costos de processament relativament baixos.

Els dispositius basats en perovskites han entrat recentment en el mercat comercial de les cel·les solars, però el seu èxit depèn de la millora de la seva estabilitat a llarg termini. Això es deu al fet que alguns d’aquests prometedors materials de perovskita, com el triiodur de plom cesi (CsPbI₃,) es resisteixen a romandre en la seva forma negra més eficient i ser funcionals en condicions normals. Enlloc de ser negre, el CsPbI₃tendeix a formar una altra estructura de color groc. Per aquest motiu, la investigació actual se centra en resoldre aquest problema: com obtenir una pel·lícula fina i estable de CsPbI₃negra per a dispositius que funcionen en condicions reals ambientals?

Un equip de recerca de la KU Leuven ha descobert una innovadora solució a aquest problema i han revelat que precisament l’estructura plana de les cel·les solars de perovskita pot ajudar a estabilitzar les pel·lícules fines de CsPbI₃negres. Han demostrat que, formant una unió forta entre la perovskita i el substrat de vidre que la sosté, aquest últim pot funcionar com una mena de motlle que fixa i obliga la perovskita a mantenir-se en la forma negra. Les anàlisis s’han dut a terme tant al Sincrotró ALBA com al sincrotró europeu ESRF a Grenoble mitjançant la tècnica de difracció no cristal·lina. Les mostres de pel·lícules de CsPbI₃van ser escalfades fins a 330ºC damunt el substrat de vidre, que té una estructura similar a la forma negra de la perovskita. Després es van tornar ràpidament a temperatura ambient de manera que aquest canvi i refredament brusc és el que provoca l’ancoratge de la perovskita negra damunt el vidre i restringeix la tendència a passar-se a la forma groga.

La tècnica de llum de sincrotró utilitzada es denomina concretament GIWAXS (en anglès sigles de dispersió de raigs X en grans angles d'incidència rasant), on els raigs X de la llum del Sincrotró incideixen en la mostra plana de perovskita i es dispersen projectant senyals de difracció en forma d'anell cap al detector, que pot registrar ràpidament les dades. “Amb aquesta moderna tècnica podem analitzar amb gran resolució l’estructura d’aquests materials i entendre els canvis que hem induït en les pel·lícules de perovskita per aconseguir mantenir-les estables sota la forma negra desitjada” comenta Eduardo Solano, investigador postdoctoral de la línia de llum NCD-SWEET de l’ALBA on s’han realitzat part dels experiments.

IM-perovpatro

Patró de difracció obtingut a la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA amb la tècnica GIWAXS.

Els resultats confirmen que la subjecció i la tensió per part del substrat són un factor clau en el disseny dels dispositius optoelectrònics basats en perovskita. "El descobriment proporciona un mecanisme d'estabilització totalment nou i diferent d’altres mètodes, que normalment impliquen una alteració química i morfològica del material”, explica Julian Steele, científic de la KU Leuven i autor principal de la recerca. “És un avenç fonamental per a les tecnologies basades en pel·lícules de perovskites" afegeix.

L’estudi, publicat a Science, resulta de la contribució de diferents centres de recerca internacionals: la KU Leuven i la Universitat de Gant a Bèlgica, la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA de Cerdanyola del Vallès, el sincrotró europeu ESRF de Grenoble a França, la Universitat Occidental de Washington als Estats Units, la Universitat de Toronto al Canadà, la Universitat de Castella La Manxa i la Universitat de Nanjing a la Xina.

Referència: Thermal Unequilibrium of Strained Black CsPbI3 Thin Films Julian A. Steele, Handong Jin,Iurii Dovgaliuk, Robert F. Berger, Tom Braeckevelt, Haifeng Yuan, Cristina Martin, Eduardo Solano, Kurt Lejaeghere, Sven M. J. Rogge, Charlotte Notebaert, Wouter Vandezande, Kris P. F. Janssen, Bart Goderis, Elke Debroye, Ya-Kun Wang, Yitong Dong, Dongxin Ma, Makhsud Saidaminov, Hairen Tan,Zhenghong Lu, Vadim Dyadkin, Dmitry Chernyshov, Veronique Van Speybroeck, Edward H. Sargent, Johan Hofkens, and Maarten B. J. Roeffaers Science (2019).