Las perovskitas de haluro metálico se consideran materiales especialmente prometedores para las células solares de próxima generación. Para ello se ha desarrollado un nuevo modelo de determinación del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia.
Las perovskitas de haluro metálico se consideran materiales especialmente prometedores para las células solares de próxima generación. Para ello, se ha desarrollado un nuevo modelo para determinar el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia.
La idoneidad de un semiconductor para su uso en fotovoltaica puede reconocerse, entre otras cosas, por el llamado rendimiento cuántico de fotoluminiscencia. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han desarrollado un nuevo modelo con el que, por primera vez, se puede determinar con precisión el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de las capas de perovskita. Así lo informan en la revista Matter [1].
La energía fotovoltaica contribuye en gran medida al abastecimiento energético sostenible. El material utilizado es decisivo para la eficiencia de las células solares, que convierten la energía luminosa directamente en energía eléctrica. Las perovskitas de haluro metálico se consideran materiales especialmente prometedores para las células solares de nueva generación. Estos semiconductores deben su nombre a la especial estructura cristalina de la perovskita. En los últimos años se ha conseguido con ellos un aumento significativo de la eficiencia: En la actualidad, las células solares de perovskita han alcanzado una eficiencia de hasta el 25,5%, situándose así en el extremo superior de lo que se puede conseguir con las células solares de silicio, actualmente dominantes en el mercado, sin tecnología de concentradores [2]. 
La proporción del llamado reciclaje de fotones, la reemisión de los fotones reabsorbidos, desempeña un papel importante en el cálculo del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia.
La eficiencia que teóricamente puede alcanzarse con las células solares de perovskita se sitúa en torno al 30,5%. Además, las materias primas necesarias para las células solares de perovskita están disponibles en abundancia: las células solares pueden producirse de forma fácil y barata y utilizarse de muchas maneras diferentes.
La calidad optoelectrónica de los semiconductores de perovskita debe seguir mejorando para acercarse a la eficiencia teóricamente alcanzable antes mencionada. En principio, los materiales aptos para la fotovoltaica no sólo deben absorber la luz, sino también reemitirla de forma eficiente, un proceso conocido como fotoluminiscencia.
El parámetro de medición asociado, conocido como rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, es por tanto ideal para determinar la calidad de los semiconductores de perovskita. Investigadores del Instituto de Tecnología de Microestructuras (IMT) y del Instituto de Tecnología de la Luz (LTI) del KIT [3], junto con científicos del Centro de Materiales Avanzados (CAM) de la Universidad de Heidelberg [4] y de la Universidad Técnica de Dresde [5], han desarrollado ahora un nuevo modelo con el que se puede determinar por primera vez de forma fiable y precisa el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de las capas de perovskita.
Más potencial de optimización del que se suponía
"Nuestro modelo permite determinar el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia en condiciones de irradiación solar con mayor precisión que antes", explica el Dr. Paul Faßl, del IMT del KIT. "Depende del reciclado de fotones, es decir, de la proporción de fotones emitidos por la perovskita que se reabsorbe y se vuelve a emitir dentro de las capas finas". Los investigadores aplicaron su modelo al triyoduro de plomo metilamonio (CH3NH3PbI3), una de las perovskitas con mayor rendimiento cuántico de fotoluminiscencia. Anteriormente se estimaba que rondaba el 90 %, pero según los cálculos del modelo se sitúa en torno al 78 %. Como explican los científicos, las estimaciones anteriores no tenían en cuenta adecuadamente el efecto de la dispersión de la luz y, por tanto, subestimaban la probabilidad de que los fotones -los cuantos de energía luminosa- escaparan de la capa antes de ser reabsorbidos.
"Nuestros resultados demuestran que el potencial de optimización de estos materiales es significativamente mayor de lo que se suponía hasta ahora", afirma el Dr. Ulrich W. Paetzold, jefe del grupo de Óptica Avanzada y Materiales para la Fotovoltaica de Nueva Generación del IMT del KIT. El equipo de investigación ofrece una aplicación de código abierto que puede utilizarse para calcular el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de diversos materiales de perovskita basándose en su modelo.
Referencias:
[1] Publicación original: Paul Fassl; Vincent Lami; Felix J. Berger; Lukas M. Falk; Jana Zaumseil; Bryce S. Richards; Ian A. Howard; Yana Vaynzof; Ulrich W. Paetzold: Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling, Matter, Cell Press, 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.01.019. https://authors.elsevier.com/a/1cbg49CyxcxO47
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle
[3] Detalles sobre el Centro de Energía del KIT: http://www.energie.kit.edu
[4] https://www.cam.uni-heidelberg.de/
[5] https://tu-dresden.de/mn/physik/iap/hlp/forschung
