Las perovskitas, una familia de materiales con propiedades eléctricas únicas, se muestran prometedoras para su uso en una variedad de campos, incluidas las células solares de próxima generación. Un equipo de científicos dirigido por Penn State creó un nuevo proceso para fabricar grandes dispositivos de perovskita que es más rentable y rentable de lo que era posible anteriormente y que, según dijeron, puede acelerar el descubrimiento de materiales en el futuro.
«Este método que desarrollamos nos permite crear fácilmente muestras a granel muy grandes en varios minutos, en lugar de días o semanas con los métodos tradicionales», dijo Luyao Zheng, investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencia de Materiales de Penn State y autor principal del estudio. . «Y nuestros materiales son de alta calidad, sus propiedades pueden competir con las perovskitas monocristalinas».
Los investigadores utilizaron un método de sinterización llamado técnica de sinterización asistida por campo eléctrico y mecánico (EM-FAST) para crear los dispositivos. La sinterización es un proceso comúnmente utilizado para comprimir polvos finos en una masa sólida de material usando calor y presión.
Un proceso típico para hacer perovskitas implica química húmeda: los materiales se licúan en una solución solvente y luego se solidifican en películas delgadas. Estos materiales tienen excelentes propiedades, pero el enfoque es costoso e ineficiente para crear grandes perovskitas y los solventes utilizados pueden ser tóxicos, dijeron los científicos.
«Nuestra técnica es lo mejor de ambos mundos», dijo Bed Poudel, profesor investigador en Penn State y coautor. «Obtenemos propiedades similares a las de un solo cristal, y no tenemos que preocuparnos por las limitaciones de tamaño o cualquier contaminación o producción de materiales tóxicos».
Debido a que utiliza materiales secos, la técnica EM-FAST abre la puerta para incluir nuevos dopantes, ingredientes agregados para adaptar las propiedades del dispositivo, que no son compatibles con la química húmeda utilizada para hacer películas delgadas, lo que podría acelerar el descubrimiento de nuevos materiales, afirman los científicos. dicho.
«Esto abre posibilidades para diseñar y desarrollar nuevas clases de materiales, incluidos mejores materiales termoeléctricos y solares, así como detectores de rayos X y γ», dijo Amin Nozariasbmarz, profesor asistente de investigación en Penn State y coautor. «Algunas de las aplicaciones son cosas que ya conocemos, pero debido a que esta es una nueva técnica para fabricar nuevos materiales de perovskita de haluro con propiedades, estructuras y composiciones controladas, tal vez haya espacio en el futuro para que surjan nuevos avances».
Además, el nuevo proceso permite materiales en capas (un polvo debajo de otro) para crear composiciones de diseñador. En el futuro, los fabricantes podrían diseñar dispositivos específicos y luego imprimirlos directamente a partir de polvos secos, dijeron los científicos.
«Anticipamos que esta perovskita FAST abriría otra dimensión para la síntesis de materiales de alto rendimiento, la fabricación futura de dispositivos de impresión directamente a partir de polvo y aceleraría el descubrimiento de materiales de nuevas composiciones de perovskita», dijo Kai Wang, profesor asistente de investigación en Penn State y coautor. .
EM-FAST, también conocida como sinterización por chispa de plasma, consiste en aplicar corriente eléctrica y presión a los polvos para crear nuevos materiales. El proceso tiene un rendimiento del 100 %: todos los ingredientes crudos van al dispositivo final, a diferencia del 20 al 30 % en el procesamiento basado en soluciones.
La técnica produjo materiales de perovskita a 0,2 pulgadas por minuto, lo que permitió a los científicos crear rápidamente dispositivos grandes que mantuvieron un alto rendimiento en las pruebas de laboratorio. El equipo informó de sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Los científicos de Penn State han utilizado durante mucho tiempo EM-FAST para crear dispositivos termoeléctricos. Este trabajo representa el primer intento de crear materiales de perovskita con la técnica, dijeron los científicos.
«Debido a los antecedentes que tenemos, estuvimos hablando y pensamos que podríamos cambiar algunos parámetros y probar esto con perovskitas», dijo Nozariasbmarz. «Y acaba de abrir una puerta a un mundo nuevo. Este documento es un enlace a esa puerta, a nuevos materiales y nuevas propiedades».
Otros investigadores de Penn State en el proyecto fueron Wenjie Li y Dong Yang, profesores asistentes de investigación; Ke Wang, científico del personal del Instituto de Investigación de Materiales; Jungjin Yoon, Tao Ye y Yu Zhang, investigadores postdoctorales; Yuchen Hou, candidato a doctor; y Shashank Priya, exvicepresidente asociado de investigación y director de iniciativas estratégicas y profesor de ciencia e ingeniería de materiales.
También contribuyó Mohan Sanghadasa, del Centro de Aviación y Misiles del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.
Los investigadores recibieron el apoyo del Centro de Materiales y Sistemas de Recolección de Energía de la Fundación Nacional de Ciencias de la Industria y la Universidad, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación Naval e Investigación del Ejército.
