Un equipo encabezado por investigadores de la Universidad de California en San Diego desarrolló una forma de controlar el crecimiento de las perovskitas, materiales que se estudian para fabricar celdas solares y dispositivos de iluminación. El trabajo, difundido el 8 de octubre y publicado en Science, utiliza una mezcla que se vuelve líquida de manera transitoria durante la formación de los cristales. El objetivo es reducir defectos microscópicos que restan rendimiento y dificultan producir superficies más grandes.
La investigación fue realizada junto con especialistas de la Universidad de Princeton y de la Universidad Sungkyunkwan, de Corea del Sur. En San Diego, el grupo fue conducido por David Fenning, del departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería. Según la comunicación de la universidad, los dispositivos solares y LED preparados con los materiales obtenidos alcanzaron eficiencias del orden del 24% al 26%, aunque se trata de tecnologías con funciones y mediciones diferentes. Las celdas solares conservaron la mayor parte de su eficiencia inicial después de ocho semanas de funcionamiento continuo bajo luz solar simulada.
La clave estuvo en agregar bromuro de zinc y cloruro de metilamonio a la solución con la que se produce una perovskita de haluros. Durante el calentamiento, esos componentes forman una mezcla eutéctica, es decir, una combinación que se funde a una temperatura relativamente baja. Ese líquido temporal se ubica en las fronteras entre los cristales mientras crecen y les permite reorganizarse. El resultado informado son cristales más grandes, más uniformes y con menos imperfecciones.
El proceso no termina con la aparición del líquido. Al continuar el calentamiento, el cloruro de metilamonio se evapora, mientras el zinc queda concentrado alrededor de los límites de los cristales. Allí contribuye a neutralizar defectos electrónicos. La secuencia permite intervenir tanto sobre la formación de la estructura como sobre las zonas que suelen perjudicar el desempeño final. Connor Dolan, uno de los primeros autores del estudio y egresado doctoral del laboratorio de Fenning, destacó que la composición de los aditivos cambia activamente durante la cristalización.
Para observar qué estaba ocurriendo, los investigadores recurrieron a técnicas avanzadas de imágenes con rayos X. Detectaron que el material en las fronteras de los cristales se desordenaba y adquiría un comportamiento semejante al de un líquido durante el calentamiento. Luego volvía a ordenarse a la misma temperatura, a medida que se evaporaba la sal adicional y terminaba el crecimiento. También encontraron una distribución más homogénea de las propiedades químicas. Esas mediciones aportan evidencia del mecanismo, más allá de comprobar una mejora en el dispositivo terminado.
Las perovskitas interesan al sector fotovoltaico porque pueden depositarse como capas muy delgadas a partir de soluciones. El Departamento de Energía de Estados Unidos explica que su capa activa absorbe luz y excita electrones, que se extraen para generar electricidad. También pueden combinarse con silicio en celdas de dos materiales que aprovechan distintas partes del espectro luminoso. Sin embargo, el organismo distingue los buenos resultados de laboratorio de la fabricación en gran escala: siguen pendientes desafíos de estabilidad, duración, producción y rendimiento al aumentar el tamaño.
Ese último problema está directamente relacionado con el estudio. Las películas de perovskita reúnen muchos cristales pequeños y las interfaces entre ellos pueden convertirse en puntos de pérdida de energía. Al fabricar paneles mayores, esas dificultades cobran importancia. La técnica presentada busca mejorar la calidad del material desde su crecimiento, pero la investigación no equivale al anuncio de un panel comercial ni demuestra por sí sola una vida útil de años en un techo o un parque solar.
El equipo informó que el procedimiento funcionó con diferentes composiciones de perovskita ensayadas y ahora explora otras mezclas eutécticas para comprender y controlar mejor la cristalización. El próximo desafío es determinar hasta dónde puede generalizarse ese comportamiento y trasladarse a materiales de alta calidad que admitan una producción escalable. El financiamiento incluyó al Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, además de instituciones de investigación de Corea del Sur y fondos iniciales de Princeton.
