Las perovskitas de haluro de plomo no son ferroeléctricas (y sigue siendo una incógnita por qué son tan buenas para celdas solares)

Las perovskitas de haluro de plomo prometen ser el próximo material estrella para celdas solares, pero el porqué de su alta eficiencia todavía es desconocido. Investigadores del ICMAB-CSIC y del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Alemania) han demostrado que éstas perovskitas no son ferroeléctricas, tal y como se pensaba. Lo han descubierto gracias a una nueva técnica de microscopia, desarrollada y patentada por el CSIC, la “direct piezoelectric force microscopy” (DPFM).

Paneles solares.En una celda solar, la luz del sol que incide sobre el material genera una carga. Concretamente, esa carga corresponde a un par electrón-hueco, donde un electrón es excitado a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia. Para que las celdas sean eficientes, este par de cargas tiene que ser separado y extraído de la forma más eficiente posible (electrón y hueco se deben dirigir a electrodos opuestos para ser captados) y así generar una corriente eléctrica. Es aquí donde entra en juego la ferroelectricidad: esta propiedad generaría un campo eléctrico dentro del material que podría ayudar en la separación de las cargas.

En el caso particular de las perovskitas de haluro de plomo, la ferroelectricidad podría ayudar a entender por qué funcionan tan bien como material activo en celdas solares, y ésa era una explicación plausible hasta ahora. Sin embargo, el estudio publicado en Energy & Environmental Science por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Alemania) demuestran, por primera vez, que el hecho de que sean óptimos materiales para celdas solares no es debido a la ferroelectricidad. “Este trabajo es muy interesante para ir desgranando la explicación de por qué estas celdas son tan eficientes” afirma Andrés Gómez, investigador del ICMAB-CSIC y primer autor del artículo. Habrá que seguir buscando.

El secreto: la nueva técnica utilizada

La técnica utilizada para elucidar la no-ferroelectricidad de las perovskitas de haluro de plomo es la técnica DPFM (por las siglas en inglés de “direct piezoelectric force microscopy”), patentada por investigadores del ICMAB-CSIC en 2017. “Hasta ahora sólo existía un modo avanzado de microscopía de fuerza atómica (AFM), llamado “piezoresponse force microscopy” (PFM), para estudiar la piezoelectricidad y la ferroelectricidad de este tipo de muestras. Sin embargo, este modo ha causado mucha controversia ya que no tiene la suficiente fiabilidad para distinguir entre un material ferroeléctrico y uno que no lo sea. Aunque con PFM se puede medir la ferroelectricidad, otros efectos pueden dar una señal falsa, obteniéndose resultados erróneos”, explica Gómez.

Sin embargo, la técnica DPFM, introducida en 2017 en el ICMAB-CSIC como un complemento a PFM, mide el efecto piezoeléctrico de manera directa y permite discernir con claridad si una muestra es o no ferroeléctrica. La técnica no da señales erróneas, ya que excluye a muchos artefactos de medida porqué la piezoelectricidad permite convertir directamente la energía mecánica en energía eléctrica de manera estrictamente proporcional. Este hecho es fundamental para poder examinar la existencia de ferroelectricidad en las perovskitas de haluro de plomo, un tema que ha sido objeto de debate durante varios años.

Para este estudio, se analizaron muestras policristalinas de perovskitas de haluro de plomo y muestras de otros materiales que tienen una ferroelectricidad conocida como control, y se condujeron experimentos con perovskitas de haluro de plomo con diferentes propiedades (tamaño de grano, grosor de la capa, sustratos diferentes, texturas diferentes…) usando PFM y DPFM, e incluso EFM (“electrostatic force microscopy”).

Es la primera vez que la técnica DPFM se usa en celdas solares de perovskitas de haluro de plomo. “Ningún otro grupo de investigación ha conseguido, con resolución nano, elucidar si estas celdas son realmente ferroeléctricas o no” dice Gómez. Ahora lo sabemos.

Artículo de referencia:

Artículo: Andrés Gómez, Qiong Wang, Alejandro R. Goñi, Mariano Campoy-Quiles  and  Antonio Abate. Ferroelectricity-free lead halide perovskites. Energy Environ. Sci., 2019, Advance Article. DOI: 10.1039/C9EE00884E

Noticia via: Comunicación ICMAB-CSIC / Anna May

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