Científicos del Forschungszentrum Jülich de Alemania han descubierto una característica especial de las células solares de perovskita utilizando una nueva técnica de medición de fotoluminiscencia. Así, descubrieron que la pérdida de portadores de carga en este tipo de celdas sigue leyes físicas diferentes a las conocidas para la mayoría de los semiconductores, lo que podría ser una de las principales razones de su alto nivel de eficiencia.
Las celdas de las células solares de perovskita son baratas de imprimir y muy eficientes. En la última década, su eficiencia se ha duplicado hasta superar el 25% y, por lo tanto, actualmente está a la par con las células solares convencionales de silicio.
En una célula solar, los electrones son desplazados por los fotones y elevados a un nivel de energía más alto desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Solo entonces pueden moverse más libremente y fluir a través de un circuito externo. Además, solamente pueden contribuir a la generación de energía eléctrica si su vida útil es lo suficientemente larga como para pasar a través del material absorbente al contacto eléctrico.
Un electrón excitado también deja un agujero en la banda de valencia subyacente, una vacante móvil que se puede mover a través del material como un portador de carga positiva. Son principalmente los defectos en la red cristalina los que aseguran que los electrones excitados vuelvan a caer rápidamente a niveles de energía más bajos. Los electrones afectados ya no pueden contribuir al flujo de corriente. Este mecanismo también se conoce como recombinación y es el principal proceso de pérdida de cada célula solar.
La relación entre los defectos de superficie y la eficiencia energética
Ninguna célula solar es perfecta a nivel atómico, pues cada una tiene diferentes tipos de defectos debido al proceso de fabricación. Estos defectos en la estructura de la red son los puntos de recolección donde los electrones y los huecos tienden a unirse. Luego, los electrones vuelven a caer en la banda de valencia y pierden valor en términos de generación de electricidad.
Anteriormente se había asumido que la recombinación se desencadena predominantemente por defectos que se encuentran energéticamente en el medio entre las bandas de valencia y conducción. Esto se debe a que estos defectos profundos son accesibles de manera similar a los electrones excitados y sus contrapartes, los huecos. De hecho, es probable que esto sea cierto para la mayoría de los tipos de células solares.
Sin embargo, los investigadores del Forschungszentrum Jülich han refutado esta suposición para las células solares de perovskita y han demostrado que los defectos superficiales son decisivos en términos de su eficiencia final. A diferencia de los defectos profundos, no se localizan en el centro de la banda prohibida, sino muy cerca de la banda de valencia o conducción.
La causa de este comportamiento inusual aún no se ha aclarado por completo, aunque los científicos creen que la suposición más razonable es que los defectos profundos simplemente no pueden existir en estos materiales. Esta restricción también puede ser una de las razones de la eficiencia particularmente alta de este tipo de células.
Técnica de medición de fotoluminiscencia
La observación solo fue posible gracias a innovadoras mediciones de fotoluminiscencia transitoria. En mediciones anteriores, no era posible distinguir los procesos de pérdida causados por defectos superficiales de los causados por otros factores. El nuevo método de medición desarrollado proporciona datos con un rango dinámico significativamente mayor en comparación con la tecnología convencional, es decir, datos en un rango de medición más amplio y con una mejor gradación.
El proceso de medición se basa en un principio similar al de la imagen HDR en calidad de alto rango dinámico. El rango dinámico de la cámara se incrementa mediante la superposición de diferentes imágenes o mediciones, en este caso señales con diferentes niveles de amplificación, para crear un conjunto de datos.