Los ingenieros de la Universidad de Rice dicen que han resuelto un enigma de larga data al fabricar paneles solares estables y eficientes a partir de perovskitas de haluro.

Fue necesario encontrar el diseño de solvente correcto para aplicar una capa superior 2D de la composición y el grosor deseados sin destruir la capa inferior 3D (o viceversa). Tal celda convertiría más luz solar en electricidad que cualquiera de las dos capas por sí sola, con una mejor estabilidad.

El ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite y su laboratorio en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice informaron en Science su éxito en la construcción de células solares 3D/2D delgadas que ofrecen una eficiencia de conversión de energía del 24,5 %.

Eso es tan eficiente como la mayoría de las células solares disponibles comercialmente, dijo Mohite.

«Esto es realmente bueno para las células bifaciales flexibles donde la luz entra por ambos lados y también para las células con contacto posterior», dijo. «Las perovskitas 2D absorben fotones azules y visibles, y el lado 3D absorbe el infrarrojo cercano».

Las perovskitas son cristales con redes cúbicas que se sabe que son recolectores de luz eficientes, pero los materiales tienden a sufrir estrés por la luz, la humedad y el calor. Mohite y muchos otros han trabajado durante años para hacer prácticas las células solares de perovskita.

El nuevo avance, dijo, elimina en gran medida el último gran obstáculo para la producción comercial.

«Esto es significativo en múltiples niveles», dijo Mohite. «Una es que es fundamentalmente desafiante hacer una bicapa procesada en solución cuando ambas capas son del mismo material. El problema es que ambas se disuelven en los mismos solventes.

«Cuando colocas una capa 2D encima de una capa 3D, el solvente destruye la capa subyacente», dijo. «Pero nuestro nuevo método resuelve esto».

Mohite dijo que las células de perovskita 2D son estables, pero menos eficientes para convertir la luz solar. Las perovskitas 3D son más eficientes pero menos estables. Combinarlos incorpora las mejores características de ambos.

«Esto conduce a eficiencias muy altas porque ahora, por primera vez en el campo, podemos crear capas con un control tremendo», dijo. «Nos permite controlar el flujo de carga y energía no solo para las células solares, sino también para los dispositivos optoelectrónicos y los LED».

La eficiencia de las células de prueba expuestas al equivalente de laboratorio del 100 % de la luz solar durante más de 2000 horas «no se degrada ni siquiera en un 1 %», dijo. Sin contar un sustrato de vidrio, las células tenían un grosor de aproximadamente 1 micrómetro.

El procesamiento de soluciones se usa ampliamente en la industria e incorpora una variedad de técnicas (recubrimiento por rotación, recubrimiento por inmersión, recubrimiento con cuchilla, recubrimiento con matriz ranurada y otras) para depositar material sobre una superficie en un líquido. Cuando el líquido se evapora, queda la capa pura.

La clave es un equilibrio entre dos propiedades del propio disolvente : su constante dieléctrica y el número donante de Gutmann. La constante dieléctrica es la relación entre la permeabilidad eléctrica del material y su espacio libre. Eso determina qué tan bien un solvente puede disolver un compuesto iónico. El número de donantes es una medida de la capacidad de donación de electrones de las moléculas de disolvente.

«Si encuentra la correlación entre ellos, encontrará que hay alrededor de cuatro solventes que le permiten disolver las perovskitas y recubrirlas por rotación sin destruir la capa 3D», dijo Mohite.

Dijo que su descubrimiento debería ser compatible con la fabricación de rollo a rollo que normalmente produce 30 metros de celda solar por minuto.

«Este avance conduce, por primera vez, a heteroestructuras de dispositivos de perovskita que contienen más de una capa activa», dijo el coautor Jacky Even, profesor de física en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Rennes, Francia. «El sueño de diseñar arquitecturas de semiconductores complejas con perovskitas está a punto de hacerse realidad. Los próximos pasos serán nuevas aplicaciones y la exploración de nuevos fenómenos físicos».

«Esto tiene implicaciones no solo para la energía solar sino también para el hidrógeno verde, con celdas que pueden producir energía y convertirla en hidrógeno», dijo Mohite. «También podría habilitar la energía solar sin red para automóviles, drones, energía fotovoltaica integrada en edificios o incluso agricultura».

El estudiante graduado de Rice, Siraj Sidhik, es el autor principal del artículo. Los coautores afiliados a Rice son el estudiante de intercambio Yafei Wang; los estudiantes de posgrado Andrew Torma, Xinting Shuai, Wenbin Li y Ayush Agarwal; los investigadores científicos Tanguy Terlier y Anand Puthirath; Matthew Jones, profesor asistente de Norman y Gene Hackerman en química y ciencia de materiales y nanoingeniería; y Pulickel Ajayan, profesor de ingeniería Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson y profesor de ciencia de los materiales y nanoingeniería, química e ingeniería química y biomolecular. Otros coautores son el investigador postdoctoral Michael De Siena y Mercouri Kanatzidis, profesor de química de la Universidad Northwestern; el ex alumno Reza Asadpour y Muhammad Ashraful Alam, Profesor Jai N. Gupta de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Purdue; el investigador postdoctoral Kevin Ho, el científico investigador Rajiv Giridharagopal y David Ginger, la Cátedra de Química B. Seymour Rabinovitch de la Universidad de Washington, Seattle; los investigadores Boubacar Traore y Claudine Katan de la Universidad de Rennes; y Joseph Strzalka, físico del Laboratorio Nacional de Argonne.

El programa del Departamento de Eficiencia Energética y Energía Renovable (0008843), el Instituto Académico de Francia, el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (861985), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2725), el Laboratorio Nacional de Argonne (DE-AC02- 06CH11357), la Fundación Nacional de Ciencias (1626418, 1719797) y el Departamento de Energía (DE-SC00