Visualización de la punta del microscopio exponiendo el material a la luz de terahercios. Los colores del material representan datos de dispersión de luz y las líneas rojas y azules representan ondas de terahercios. Crédito: Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU.
Un equipo de científicos ha desarrollado una nueva herramienta de caracterización que les permite obtener una visión única de un posible material alternativo para las células solares. Han desarrollado un microscopio que utiliza ondas de terahercios para recopilar datos sobre muestras de materiales. El equipo, del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía, trabajando bajo la dirección del científico Jigang Wang, utilizó su microscopio para explorar el yoduro de plomo y metilamonio (MAPbI3) perovskita, un material que potencialmente podría reemplazar al silicio en las células solares.
Richard Kim, científico de Ames Lab, explicó las dos características que hacen que el nuevo microscopio de sonda de barrido sea único. En primer lugar, el microscopio utiliza el rango de terahercios de frecuencias electromagnéticas para recopilar datos sobre los materiales. Este rango está muy por debajo del espectro de luz visible, y se encuentra entre las frecuencias infrarrojas y de microondas. En segundo lugar, la luz de terahercios se proyecta a través de una punta de metal afilada que mejora las capacidades del microscopio a escalas de longitud nanométrica.
“Normalmente, si tienes una onda de luz, no puedes ver cosas más pequeñas que la longitud de onda de la luz que estás usando. Y para esa luz de terahercios, la longitud de onda es de aproximadamente un milímetro, por lo que es bastante grande”, explicó Kim. «Pero aquí hemos usado esta punta de metal afilada con una parte superior afilada a una curvatura de radio de 20 nanómetros, y actúa como nuestra antena para ver cosas más pequeñas que la longitud de onda que estábamos usando».
Usando este nuevo microscopio, el equipo estudió un material de perovskita, MAPbI3, que recientemente ha atraído el interés científico como alternativa al silicio en las células solares. Las perovskitas son un tipo especial de semiconductor que transporta carga eléctrica cuando se expone a la luz visible. El principal desafío de usar MAPbI3 en las células solares es que se degrada fácilmente cuando se expone a elementos como el calor y la humedad.
Según Wang y Kim, el equipo esperaba que MAPbI3 se comportan como un aislante cuando se exponen a la luz de terahercios. Dado que los datos recopilados en una muestra son una lectura de cómo se dispersa la luz cuando el material se expone a ondas de terahercios, esperaban un bajo nivel constante de dispersión de luz en todo el material. Lo que encontraron, sin embargo, fue que había mucha variación en la dispersión de la luz a lo largo del límite del grano.
Kim explicó que los materiales conductores, como los metales, tendrían un alto nivel de dispersión de la luz, mientras que los materiales menos conductores, como los aislantes, no tendrían tanto. La gran variación en la dispersión de la luz detectada a lo largo de los límites de grano en MAPbI3 destaca el problema de la degradación material.
En el transcurso de una semana, el equipo continuó recopilando datos sobre el material, y los datos recopilados durante este tiempo mostraron el proceso de degradación a través de cambios en los niveles de dispersión de la luz. Esta información puede ser útil para mejorar y manipular el material en el futuro.
«Creemos que el presente estudio demuestra una poderosa herramienta de microscopía para visualizar, comprender y mitigar potencialmente la degradación del límite de grano, las trampas de defectos y la degradación del material», dijo Wang. «Una mejor comprensión de estos problemas podría conducir al desarrollo de dispositivos fotovoltaicos basados en perovskita altamente eficientes durante muchos años».
muestras MAPbI3 fueron proporcionados por la Universidad de Toledo. Esta investigación se analiza con más detalle en el artículo «Nanoimagen de terahercios de materiales de células solares de perovskita», escrito por Richard HJ Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo y Jigang Wang, y publicado en el Fotónica ACS.
Referencia: «Nanoimagen de terahercios de materiales de células solares de perovskita» por Richard HJ Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo y Jigang Wang, 17 de octubre de 2022, Fotónica ACS.
DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00861