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Jul 13, 2023

NSF CAREER Awardee avanza ligero, bajo

La energía solar jugará un papel clave en los Estados Unidos para alcanzar su objetivo de

Se espera que la energía solar desempeñe un papel clave en los Estados Unidos para alcanzar su objetivo de una economía de cero emisiones netas para 2050. Además de los paneles solares convencionales, que están hechos predominantemente de silicio y telururo de cadmio, es probable que la energía fotovoltaica de perovskita sea parte de la solución.

"La energía fotovoltaica basada en perovskita es emocionante porque se puede imprimir como los periódicos y solo requiere una pequeña fracción del material utilizado en las tecnologías fotovoltaicas tradicionales", dijo el profesor asistente de ingeniería química y ambiental Adam Printz. "Un menor uso de materiales reduce los costos y los desechos, lo que significa que la energía fotovoltaica basada en perovskita a largo plazo es un reemplazo atractivo para las tecnologías actuales".

Las perovskitas son ultrafinas (solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor, o alrededor del 1 % del ancho de un cabello humano) y se pueden imprimir en sustratos de plástico flexibles, lo que significa que se pueden usar en aplicaciones en las que la portabilidad y el peso son factores clave de diseño, incluido el desastre. socorro, aviación, exploración espacial y sensores portátiles para el cuidado de la salud. Sin embargo, las energías fotovoltaicas de perovskita aún no son comercialmente viables porque aún exhiben inestabilidades químicas y mecánicas, lo que hace que se degraden y dejen de funcionar más rápido que otras tecnologías. ¿Qué causa exactamente estas inestabilidades y cómo se pueden mitigar para mejorar el rendimiento de la perovskita?

Con un premio CARRERA de $ 500,000 de la Fundación Nacional de Ciencias, Printz tiene la intención de resolverlo. Al mismo tiempo, está trabajando para lanzar una serie de videos y una especialización en energía renovable para educar a una nueva generación de científicos.

Comprender por qué y dónde se forman los defectos

La palabra "perovskita" originalmente se refería a un mineral, descubierto por primera vez a principios del siglo XIX, con la estructura cristalina ABX3. Hoy en día, la palabra también se usa como abreviatura para referirse a "fotovoltaica basada en perovskita de haluro metálico", o materiales hechos en laboratorio que tienen una estructura cristalina ABX3 y ofrecen propiedades como fotoconductividad y la capacidad de convertirse en tintas.

En la estructura cristalina de ABX3, A es un catión o ion con carga positiva, B es un metal (normalmente plomo o estaño) y X es un haluro (un tipo de átomo que funciona como anión o ion con carga negativa) . Todos estos se disuelven en un solvente para hacer una tinta, que se puede imprimir en un sustrato de plástico flexible, de manera similar a como se imprime la tinta en un periódico. La película resultante se calienta para que el solvente se evapore y la perovskita pueda cristalizar.

A medida que la película se enfría, la perovskita tiende naturalmente a contraerse más que el material del sustrato. Sin embargo, dado que la película y el sustrato están unidos, la perovskita se encoge menos en las áreas donde toca el sustrato. Piense en cómo el centro de una red de tenis se hunde ligeramente, porque está más cerca de estar en reposo, pero en los lados se asienta más alto, porque está sostenida por postes. La diferencia entre el patrón de celosía natural de la perovskita (como el medio de una red de tenis) y el patrón en contacto directo con el sustrato (como los lados de una red de tenis) causa tensión, formando un gradiente de tensión de celosía.

"Sabemos que la tensión de la red es problemática y probablemente crea inestabilidades", dijo Printz. "También sabemos que hay un gradiente de deformación vertical en estas películas, lo que significa que la cantidad de deformación es diferente en la parte superior de la película que en la parte inferior de la película. Hasta ahora, nadie ha relacionado realmente estos gradientes de deformación con la estabilidad, ni cómo estos gradientes dan como resultado diferentes densidades de defectos en las películas de perovskita".

Eliminación de defectos y modulación de la tensión

Una forma conocida de mitigar estos defectos, aunque sus comportamientos no se comprenden completamente, es incorporar materiales orgánicos llamados aditivos en las películas de perovskita.

"Los aditivos básicamente abordan los defectos y los eliminan de la ecuación", dijo Printz. "Vamos a tratar de usar estos aditivos no solo para atacar los defectos, sino también para permitir que la tensión se module en el material de perovskita, de modo que podamos potencialmente separar los átomos o juntarlos y obtener diferentes propiedades y estabilidad. "

Sin embargo, debido a que las perovskitas constan de tres categorías de ingredientes, y cada categoría tiene una variedad de opciones, existe una cantidad enorme y cada vez mayor de formaciones de perovskita. Por lo tanto, incluso si un equipo de científicos encuentra un aditivo que eliminó los defectos utilizando una fórmula particular de perovskita, es probable que la fórmula pronto quede obsoleta a medida que se desarrollen mejores versiones. Entonces, la búsqueda del aditivo correcto comenzaría de nuevo.

Printz y su equipo comienzan probando diferentes aditivos en una formulación de perovskita muy simple, y luego prueban el mismo grupo de aditivos en perovskitas químicamente más complejas.

A partir de ahí, planean usar una combinación de experimentos, simulaciones y, eventualmente, aprendizaje automático para comenzar a desarrollar una base de datos que documente qué aditivos funcionan con qué formulaciones de perovskita.

"Una persona podría ingresar en la base de datos, 'Esta es la formulación de perovskita con la que estoy trabajando', y la base de datos podría decir, 'Pruebe estos tres aditivos' o 'Pruebe estos 17 aditivos'", dijo Printz. "Estamos adoptando un enfoque muy sistemático".

La capacidad de controlar la tensión y la densidad de defectos podría ser útil más allá del mundo de las perovskitas, en aplicaciones que van desde transistores hasta experimentos de física.

Serie de videos 'Científicos como yo'

El proyecto CARRERA de Printz también incluye varios elementos enfocados en los estudiantes, en colaboración con programas como Arizona Science, Engineering and Math Scholars. Primero, él y su equipo planean lanzar una serie de seminarios para ayudar a los estudiantes marginados a desarrollar la preparación para la investigación. Juntos, crearán una serie de videos llamados "Científicos como yo", en los que científicos de diversos orígenes hablarán sobre temas científicos y sociales.

"Con este formato, tenemos la intención de humanizar a los científicos e inspirar a los estudiantes, permitiéndoles visualizarse a sí mismos como futuros científicos", dijo Printz.

Proporcionado por la Universidad de Arizona