'Sándwich de energía' podría revolucionar la energía solar y la iluminación

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge alcanzó un nuevo nivel de control sobre la estructura atómica de una familia de materiales conocidos como perovskitas haluros, desarrollando un 'sándwich de energía' que podría transformar la fabricación de celdas solares, LEDs y láseres.

Las perovskitas han sido reconocidas por su notable capacidad para absorber y emitir luz, además de ser más económicas y configurables para convertir una mayor parte del espectro solar en energía en comparación con el silicio. Sin embargo, su inestabilidad y durabilidad han limitado su uso a entornos de laboratorio. Los científicos también han enfrentado dificultades para controlar con precisión el grosor de las películas de perovskita y cómo interactúan las diferentes capas al apilarse, un paso crucial para construir estructuras funcionales multicapa.

Avance en el crecimiento de películas de perovskita

El equipo de investigación encontró una nueva forma de cultivar capas ultradelgadas de películas de perovskita, alineando sus átomos de manera perfecta, lo que podría permitir dispositivos más potentes, duraderos y eficientes. Utilizaron una técnica basada en vapor para cultivar perovskitas tridimensionales y bidimensionales, capa por capa, lo que les permitió controlar el grosor de las películas hasta fracciones de un átomo.

Los resultados, publicados en la revista Science, podrían abrir la puerta a dispositivos de perovskita utilizables que se pueden producir a gran escala, utilizando un proceso similar al empleado en la fabricación de semiconductores comerciales.

Cada capa en un 'sándwich' de semiconductores cumple una función diferente en el movimiento de electrones y sus contrapartes cargadas positivamente, llamados huecos, y determina cómo los semiconductores absorben o emiten luz. Juntas, las capas actúan como calles de sentido único que guían las cargas eléctricas en direcciones opuestas, evitando que se encuentren y desperdicien energía en forma de calor.

En otros semiconductores ampliamente utilizados, como el silicio o materiales más nuevos como el nitruro de galio, las propiedades de las capas individuales pueden ajustarse mediante varios métodos. Sin embargo, las perovskitas, a pesar de su excelente rendimiento, han demostrado ser difíciles de controlar en dispositivos en capas, en parte debido a su estructura atómica 'caótica'.

Procesamiento por vapor permite precisión atómica

El profesor Sam Stranks, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología, quien co-lideró la investigación, comentó: "Mucho de la investigación sobre perovskitas utiliza procesamiento por solución, que es desordenado y difícil de controlar. Al cambiar a procesamiento por vapor, el mismo método utilizado para semiconductores estándar, podemos obtener el mismo grado de control atómico, pero con materiales que son mucho más indulgentes".

Los investigadores utilizaron una combinación de perovskitas tridimensionales y bidimensionales para crear y controlar sus apilamientos ajustados a nivel atómico, un fenómeno conocido como crecimiento epitaxial. Este control fino les permitió observar directamente cómo cambia la luz emitida por el material dependiendo de si es una sola capa, una doble capa o más gruesa.

El co-primer autor, Dr. Yang Lu, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología y del Laboratorio Cavendish, expresó: "La esperanza era que pudiéramos cultivar un cristal de perovskita perfecto donde cambiamos la composición química capa por capa, y eso es lo que hicimos".

Controlando el comportamiento de carga y el potencial del dispositivo

Los investigadores también descubrieron que podían diseñar las uniones entre las capas para controlar si los electrones y los huecos permanecían juntos o separados, un factor clave en la eficiencia con la que un material emite luz.

El profesor Sir Richard Friend, del Laboratorio Cavendish, quien también co-lideró la investigación, afirmó: "Hemos alcanzado un nivel de ajustabilidad que ni siquiera estaba en nuestro radar cuando comenzamos".

Los investigadores encontraron que podían ajustar la diferencia de energía entre las capas en más de medio electrón volt, y en algunos casos, extender la vida útil de electrones y huecos a más de 10 microsegundos, mucho más de lo habitual. Este nivel de precisión podría allanar el camino para dispositivos escalables y de alto rendimiento que utilicen la luz de nuevas maneras, desde láseres y detectores hasta tecnologías cuánticas de próxima generación.

El profesor Stranks concluyó: "Cambiar la composición y el rendimiento de las perovskitas a voluntad, y sondear estos cambios, es un verdadero logro y refleja el tiempo y la inversión que hemos realizado aquí en Cambridge. Pero, más importante aún, muestra cómo podemos fabricar semiconductores funcionales a partir de perovskitas, lo que podría revolucionar la forma en que fabricamos electrónica barata y celdas solares".

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