Crédito: Joule (2025). Doi: 10.1016/j. Joule.2025.101954
En la ciencia solar, una pequeña armonía estructural es muy útil. Al encontrar el equivalente atómico de un apretón de manos perfecto entre dos tipos de perovskita, una clase de materiales cristalinos apreciados por su capacidad de convertir la luz solar en electricidad, los investigadores en Cornell han construido células solares que no solo tienen un rendimiento de alto rendimiento, sino excepcionalmente duradero.
Los perovskitas tridimensionales (3D) consisten en repetir redes atómicas de “jaulas” de haluro metálica que están conectadas en sus esquinas y llenas de pequeñas moléculas cargadas positivamente conocidas como cationes.
Estos materiales han mostrado una promesa notable para habilitar las células solares que son livianas, de bajo costo y capaces de eficiencias que superan las del silicio tradicional. Pero a pesar de su potencial, la mayoría de las perovskitas 3D son vulnerables al calor, la humedad y la luz solar que están diseñadas para capturar debido a sus estructuras de cristal iónica similares a la sal.
Una nueva investigación detalla una perovskita bidimensional (2D) bidimensional (2D) diseñada por investigadores de Cornell que se pueden colocar en capas en la parte superior de una perovskita 3D para actuar como un recubrimiento resistente a la intemperie y resistente a la intemperie. Los resultados se detallan en el documento “hetero-pasajeras estabilizadas por fase/3D a través de la coincidencia de red para células solares invertidas eficientes y estables”, publicado el 9 de mayo en la revista Joule.
Otros investigadores han intentado este recubrimiento protector de perovskita 2D utilizando metilamonio (MA) como catión de jaula. Sin embargo, MA es tan inestable que comienza a vaporizar tras la exposición a la luz solar.
“Con MA, tiene una buena eficiencia y transporte de carga, pero la célula solar se degrada rápidamente en unos pocos cientos de horas de operación continua”, dijo el autor principal Shripathi Ramakrishnan, candidato a doctorado en el laboratorio del autor senior Qiuming Yu, profesor de ingeniería química y biomolecular en Cornell Engineering.
Se han hecho intentos para usar formamidinium (FA), un catión de jaula más estable, en la capa protectora, pero demasiada tensión en la estructura cristalina del material impuesta por el tamaño más grande de FA lo desestabiliza y evita la formación de retrasos en 2D estables.
El nuevo avance provino de la coincidencia de celosía: la idea de que si la red de 2D perovskite tiene el tamaño correcto, “hará clic” junto con la perovskita 3D. Al seleccionar cationes orgánicos especiales, llamados ligandos, que se alinean naturalmente tanto con el catión de la jaula FA como con la estructura cristalina circundante, los investigadores pudieron formar perovskitas 2D con un grosor y configuración de capa que equilibra la conductividad y la estabilidad.
“La idea básica es que un ligando en una perovskita 2D intenta reducir la red, mientras que el catión FA Cage funciona para hacerlo más grande y tienes estas dos fuerzas opuestas en juego”, dijo Ramakrishnan. “Seleccionamos un ligando que no intenta comprimir demasiado la jaula, lo que le permite expandirse un poco y dejar espacio para que la función más grande se ajuste al interior”.
El grupo sintetizó con éxito una nueva perovskita 2D usando FA como catión de jaula y lo aplicó como un recubrimiento protector sobre una perovskita 3D. Las técnicas de caracterización, incluida la difracción de rayos X sincrotrón y el mapeo de fotoluminiscencia confocal, revelaron que la nueva capa 2D basada en FA posee una estabilidad excepcional bajo luz, temperatura y humedad combinadas, superando sus contrapartes basadas en MA.
La combinación 2D-on-3D no solo resiste la degradación bajo la luz solar y el calor; También mejora el rendimiento eléctrico al permitir un flujo más suave de cargas entre las capas 3D y 2D. Las células solares resultantes lograron una eficiencia de conversión de luz solar a electricidad del 25,3% y mostraron solo una pérdida de rendimiento del 5% durante casi 50 días de pruebas intensas bajo luz y calor combinados, lo que las convierte en células solares de perovskita excepcionalmente duraderas.
Si bien los perovskitas han atraído un gran interés de los científicos en la última década, su inestabilidad ha frenado la comercialización de su uso en las células solares.
“Silicon tuvo unos 50 años para llegar a donde estamos con la energía solar. Perovskite aún no ha tenido 50 años, pero podemos acelerar ese progreso al comprenderlo a nivel molecular y aplicar lo que aprendemos”, dijo Yu.
Ramakrishnan dijo que una pasantía, apoyada por el programa interno de la Fundación Nacional de Ciencias en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado, le dio una ventana al panorama de comercialización, donde los materiales probados en laboratorio están expuestos a condiciones reales al aire libre y se comparan directamente con los paneles solares industriales.
“Esto fue realmente inspirador para mí, no solo para el aspecto científico, sino también la relevancia tecnológica”, dijo Ramakrishnan.
Más información: Shripathi Ramakrishnan et al, hetero-mieras estabilizadas en fase a través de la coincidencia de red para células solares invertidas eficientes y estables, Joule (2025). Doi: 10.1016/j.joule.2025.101954
Información en la revista: Joule proporcionado por la Universidad de Cornell
Cita: el diseño de perovskita actualizado establece las células solares en la ruta hacia la estabilidad (2025, 13 de mayo) Recuperado el 13 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-perovskite-solar–cells-stability.html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Además de cualquier trato justo con el propósito de estudio o investigación privada, no se puede reproducir ninguna parte sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona solo para fines de información.
