Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado una técnica para crear capas ultradelgadas de perovskitas, mejorando su estabilidad y eficiencia, lo que podría revolucionar la fabricación de células solares y dispositivos ópticos.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge ha logrado un avance significativo en el control de la estructura atómica de una familia de materiales conocidos como perovskitas halógenas. Este desarrollo ha permitido la creación de un innovador "sándwich energético" que podría revolucionar 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 un mayor espectro solar en energía, superando al silicio. Sin embargo, su inestabilidad y durabilidad han limitado su uso principalmente a entornos de laboratorio. Hasta ahora, los científicos enfrentaban dificultades para controlar con precisión el grosor de las películas de perovskita y cómo interactúan las diferentes capas cuando se apilan, un paso crucial para construir estructuras funcionales multicapa.
El nuevo método desarrollado por el equipo permite cultivar capas ultradelgadas de películas de perovskita con una alineación atómica perfecta. Utilizando una técnica basada en vapor, los investigadores pudieron crear perovskitas tridimensionales y bidimensionales capa por capa, controlando el grosor hasta fracciones de un átomo. Los resultados, publicados en la revista Science, abren la puerta a dispositivos funcionales basados en perovskitas que pueden producirse a gran escala mediante procesos similares a los utilizados en la fabricación de semiconductores comerciales.
Cada capa dentro del "sándwich" semiconductor desempeña un papel específico en el movimiento de electrones y sus contrapartes cargadas positivamente, conocidas como huecos. Estas capas actúan como calles unidireccionales que dirigen las cargas eléctricas en direcciones opuestas, evitando que se encuentren y desperdicien energía como calor.
A diferencia de otros semiconductores ampliamente utilizados, como el silicio o materiales más recientes como el nitruro de galio, las propiedades individuales de las capas pueden ajustarse utilizando diversos métodos. Sin embargo, hasta ahora las perovskitas han demostrado ser difíciles de controlar debido a su estructura atómica "caótica". El profesor Sam Stranks, co-líder del estudio, explica: “Mucho del trabajo sobre perovskitas utiliza procesamiento por solución, lo cual es desordenado y difícil de controlar. Al cambiar a procesamiento por vapor —el mismo método utilizado para semiconductores estándar— podemos obtener ese mismo grado de control atómico”.
Los investigadores también lograron diseñar los junctores entre las capas para regular si los electrones y huecos permanecen juntos o separados, lo cual es fundamental para determinar la eficiencia con la que un material emite luz. “Hemos alcanzado un nivel de ajustabilidad que ni siquiera estaba en nuestro radar al inicio”, comenta el profesor Sir Richard Friend, co-líder del proyecto.
El equipo descubrió que podía ajustar la diferencia energética entre las capas en más de medio voltio electrónico e incluso extender la vida útil de electrones y huecos a más de 10 microsegundos, mucho más prolongada que lo habitual. Esta precisión podría allanar el camino hacia dispositivos escalables y de alto rendimiento que utilicen la luz en nuevas aplicaciones, desde láseres hasta tecnologías cuánticas avanzadas.
"Cambiar la composición y rendimiento de las perovskitas a voluntad –y explorar estos cambios– es un logro real que refleja el tiempo e inversión realizados aquí en Cambridge", concluye Stranks. Este avance no solo muestra cómo se pueden fabricar semiconductores operativos a partir de perovskitas, sino que también promete revolucionar la producción económica de electrónica y celdas solares.
La investigación recibió apoyo parcial del Royal Society, del European Research Council, así como del Simons Foundation y del Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), parte del UK Research and Innovation (UKRI).