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Nano científico

Una entrevista con Sibel Leblebici, de la Molecular Foundry en el Laboratorio Lawrence Berkeley, acerca de cómo visualizar células solares de perovskita de alta eficiencia usando la AFM de Park

170110 Sibel Leblebici

Sibel Leblebici forma parte de un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab, un centro del Departamento de Energía de EE.UU.) que en julio de 2016 presentó un descubrimiento que podría aumentar dramáticamente la eficiencia de las células solares de perovskita. El hallazgo se esconde en los picos y valles nanoscópicos del material cristalino y conduce a las mayores eficiencias jamás registradas en el campo de la energía solar.


Las células solares fabricadas a partir de compuestos que tienen la estructura cristalina de la perovskita son baratas y fáciles de fabricar, como las células solares orgánicas. Estas células solares convierten los fotones en electricidad más rápidamente que cualquier otro material conocido y se prevé que su eficiencia, que en 2009 era de tan solo un 3%, llegue hasta el 31% gracias a nuevos datos sobre cómo maximizarla. Aunque es necesario realizar más investigaciones, los prometedores estudios revelan que existen muchas posibilidades de aumentar la eficiencia de las células solares de perovskita hasta el 31%.

Esta investigación se realizó utilizando una técnica puntera de microscopía de fuerza atómica (AFM) desarrollada en colaboración con Park Systems, la cual utiliza una punta conductora para explorar la superficie del material. Este método también elimina la fricción entre la punta y la muestra, lo cual es importante porque el material es tan rugoso y delicado que la fricción podría dañar tanto la punta como la muestra y hacer que apareciesen artefactos en la fotocorriente.

¿Por qué decidió investigar las perovskitas?

Elegí investigar las perovskitas híbridas de haluros para células solares porque encontraba apasionante el rápido aumento de su eficiencia, desde aproximadamente el 3% en 2009 a más del 22% en la actualidad. Estas altas eficiencias son notables para un material de células solares policristalino y procesable en disolución. Cuando empecé a interesarme por las perovskitas hace unos años, la mayoría de investigaciones se centraban en métodos para mejorar la eficiencia de las células solares optimizando las condiciones en que crece la película y la alineación de los niveles de energía de las otras capas de la célula solar. También se habían realizado estudios para tratar de entender las propiedades electrónicas macroscópicas del material. Yo, sin embargo, quería aprender más sobre la perovskita a escala nanoscópica para entender qué es lo que podía estar limitando su eficiencia.

¿Qué han descubierto sobre la gran diversidad de rendimientos de las perovskitas y cómo lograron obtener esos resultados?

Hemos descubierto que el rendimiento en cada grano individual de una película policristalina de perovskita es muy heterogéneo: varía mucho en función de la cara o faceta del grano, debido a que algunas facetas tienen una densidad significativamente mayor de estados trampa superficiales. Usamos AFM conductiva para medir localmente la fotocorriente y la tensión de circuito abierto, dos parámetros críticos para la eficiencia de las células solares. Para obtener resultados reproducibles en la superficie de la perovskita, que es muy rugosa, empleamos el modo de exploración PinPoint™: para cada píxel, el microscopio de AFM aproxima la punta conductora a la superficie, alcanza una fuerza determinada entre la punta y la muestra, registra la corriente y retira la punta. Usar el modo PinPoint nos permitió eliminar todos los artefactos que aparecen en la medición de la corriente en el caso de superficies rugosas.

¿Cómo podría este descubrimiento traducirse en mejores células solares?

Hemos descubierto que el rendimiento de las células solares de perovskita depende mucho de la faceta que esté expuesta. Por tanto, si pudiéramos desarrollar las películas policristalinas de manera que las facetas de alto rendimiento sean las únicas que estén en contacto con los electrodos, la eficiencia total de la célula solar podría aumentar considerablemente.

¿Puede explicarnos cómo trabajaron con Park Systems (fabricante de microscopios de fuerza atómica) para crear la herramienta adecuada para esta investigación?

Hemos trabajado junto a Park Systems para mejorar las posibilidades del modo PinPoint y optimizarlo para la AFM conductiva. Visitamos las oficinas de Park Systems en Santa Clara para explicarles qué es lo que queríamos medir y entender mejor las posibilidades del sistema, y los ingenieros de Park Systems también se han pasado a menudo por nuestro laboratorio para sugerir mejoras. Además, hemos propuesto mejoras en el software para tener un mayor control sobre la configuración del modo PinPoint.

¿Cuál fue la técnica que desarrollaron y cómo la utilizaron? ¿Resultó esta nueva herramienta de AFM esencial para sus descubrimientos?

Sin el modo de exploración PinPoint y las mejoras que realizamos específicamente para medir la corriente, habría sido mucho más difícil llevar a cabo los experimentos y las imágenes de la corriente presentarían muchos artefactos. Usar esta nueva técnica nos permitió realizar mediciones de la corriente mucho más reproducibles.

¿Cuál es la eficiencia estimada de las facetas de mayor rendimiento que encontraron en la perovskita y por qué capturan mejor la luz estas facetas?

Hemos observado diferencias de hasta un orden de magnitud en la fotocorriente y de hasta 0,6 V en la tensión de circuito abierto entre las facetas de un mismo grano. Estos resultados nos hacen pensar que la eficiencia de las células solares de perovskita podría acercarse al límite teórico si conseguimos que la película crezca de manera que las facetas de alto rendimiento sean las únicas que estén en contacto con los electrodos. Estas facetas de alto rendimiento tienen una densidad de defectos superficiales muy baja; por lo tanto, presentan mayores corrientes de cortocircuito y tensiones de circuito abierto.

¿Cómo comparten la información en la Molecular Foundry con otros investigadores de todo el mundo?

La Molecular Foundry es una «instalación de usuario», lo que significa que cualquier científico de cualquier parte del mundo puede presentar una propuesta para utilizar nuestros conocimientos e instrumentos de vanguardia para su investigación. En la Molecular Foundry también tenemos grupos científicos que regularmente publican artículos en revistas de investigación.

¿En qué otros proyectos de investigación están trabajando o planean trabajar en el futuro?

Actualmente estamos tratando de determinar la orientación cristalográfica de las facetas de alto y bajo rendimiento en las perovskitas híbridas de haluros.

 

170110 celula solar de perovskita

Prototipo de célula solar de perovskita. Estas células solares convierten los fotones en electricidad más rápidamente que cualquier otro material conocido y se prevé que su eficiencia, que en 2009 era de tan solo un 3%, llegue hasta el 31% gracias a nuevos datos sobre cómo maximizarla.

Sibel Leblebici se doctoró recientemente en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California, Berkeley. Su investigación se ha centrado en la fabricación y caracterización de nuevos materiales para células solares, entre ellos los semiconductores orgánicos y las perovskitas híbridas de haluros. Ahora es investigadora posdoctoral en la Molecular Foundry (un centro financiado por el Departamento de Energía de EE.UU.) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

«Usamos AFM conductiva para medir localmente la fotocorriente y la tensión de circuito abierto, dos parámetros críticos para la eficiencia de las células solares. Para obtener resultados reproducibles en la superficie de la perovskita, que es muy rugosa, empleamos el modo de exploración PinPoint™: para cada píxel, el microscopio de AFM aproxima la punta conductora a la superficie, alcanza una fuerza determinada entre la punta y la muestra, registra la corriente y retira la punta.»

170112 Weber Bargioni group

Sibel Leblebici forma parte del grupo dirigido por el Dr. Weber-Bargioni, un equipo altamente interdisciplinar y colaborativo de la Molecular Foundry que se centra en explorar las propiedades optoelectrónicas fundamentales de nanomateriales. Su objetivo, en última instancia, es proporcionar un conjunto de reglas que permitan desarrollar de manera sistemática la próxima generación de materiales para captar luz. En la imagen vemos a Sibel Leblebici junto al Dr. Weber-Bargioni, con el microscopio de fuerza atómica de Park empleado en la investigación sobre las perovskitas para células solares.

 

Molecular Foundry

La Molecular Foundry (Fundición Molecular) es un centro de investigación en nanociencia, financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., que permite que usuarios de todo el mundo accedan a conocimientos e instrumentos de vanguardia, en un entorno colaborativo y multidisciplinar.

170112 Alexander Weber Bargioni

Alexander Weber-Bargioni, investigador principal del grupo de optoelectrónica de la Molecular Foundry, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

«Nuestro objetivo es obtener imágenes, comprender y acabar controlando los procesos optoelectrónicos que tienen lugar en nuevos materiales y arquitecturas para captar luz. Actualmente nuestro trabajo se centra en caracterizar las propiedades optoelectrónicas de diversos materiales: sistemas de nanocables inorgánicos de óxidos metálicos y semiconductores, uniones de nanocristales inorgánicos y semiconductores orgánicos de molécula pequeña.»

«Somos afortunados de formar parte de la Molecular Foundry, uno de los centros de nanoinvestigación más interdisciplinares y colaborativos que existen. Gracias a sus seis instalaciones complementarias, integra los conocimientos de físicos, químicos, biólogos e ingenieros, que abarcan desde la síntesis y fabricación de materiales nanoscópicos, hasta su caracterización y el desarrollo de modelos para alcanzar una comprensión completa de las propiedades físicas y químicas de los nanocomponentes fundamentales.»

«Hoy en día no estamos usando la energía solar GRATUITA que tenemos a nuestra disposición, y eso supone un lamentable perjuicio para la humanidad y nuestro planeta. No me importaría pagar 5 veces más al mes por mi energía con tal de dejarles a mis hijos un planeta seguro en el que vivir. La humanidad fabrica iPhones que caben en el bolsillo de un pantalón y son mas potentes que los ordenadores que dirigieron la misión Apolo 11. Realmente deberíamos ser capaces de desarrollar materiales que conviertan esa energía solar gratuita en energía eléctrica y química de una manera rentable.»