Les perovskites d’halur de plom prometen ser el pròxim material estrella per cèl·lules solars, però el perquè de la seva alta eficiència encara és desconegut. Investigadors de l'ICMAB-CSIC i del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Alemanya) han que aquestes perovskites no són ferroelèctriques, tal com es pensava. Ho han fet gràcies a una nova tècnica de microscopia, desenvolupada i patentada pel CSIC: la “direct piezoelectric force microscopy” (DPFM).
En una cèl·lula solar, la llum del sol que incideix sobre el material genera una càrrega. Concretament, aquesta càrrega correspon a un parell electró-forat, on un electró és excitat a la banda de conducció, deixant un forat a la banda de valència. Perquè les cèl·lules siguin eficients, aquest parell de càrregues ha de ser separat i extret de la forma més eficient possible (electró i forat s'han d'adreçar a elèctrodes oposats per ser captats) i així generar un corrent elèctric. És aquí on entra en joc la ferroelectricitat: aquesta propietat generaria un camp elèctric dins del material que podria ajudar a la separació de les càrregues.
En el cas particular de les perovskites d’halur de plom, la ferroelectricitat podria ajudar a entendre per què funcionen tan bé com a material actiu de les cèl·lules solars i, de fet, aquesta era una explicació plausible fins ara. No obstant això, l'estudi publicat a Energy & Environmental Science per investigadors de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) i del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Alemanya) demostren, per primera, vegada que el fet que siguin òptims materials per a cèl•lules solars no és a causa de la ferroelectricitat. "Aquest treball és molt interessant per anar desgranant l'explicació de per què aquestes cèl•lules són tan eficients" afirma Andrés Gómez, investigador de l'ICMAB-CSIC i primer autor de l'article. Caldrà seguir buscant.
El secret: la nova tècnica utilitzada
La tècnica utilitzada per a elucidar la no ferroelectricitat de les perovskites d’halur de plom estudiades és la tècnica DPFM (per les sigles en anglès de "direct piezoelectric force microscopy"), patentada per investigadors de l'ICMAB-CSIC el 2017. "Fins ara només existia una manera avançada de microscòpia de força atòmica (AFM), la "piezoresponse force microscopy" (PFM) per estudiar la ferroelectricitat d'aquest tipus de mostres. No obstant això, aquesta tècnica ha causat molta controvèrsia, ja que no té la suficient fiabilitat per distingir entre un material ferroelèctric i un que no ho sigui. Encara que amb PFM es pot mesurar la ferroelectrictat, hi ha altres efectes poden donar una senyal falsa, obtenint resultats erronis", explica Gómez.
No obstant això, la tècnica DPFM, introduïda el 2017 a l'ICMAB-CSIC com un complement al PFM, mesura l'efecte piezoelèctric de manera directa, i permet discernir amb claredat si una mostra és o no ferroelèctrica. La tècnica no dóna senyals errònies, ja que exclou molts artefactes de mesura, ja que la piezoelectricitat permet convertir directament l'energia mecànica en energia elèctrica de manera estrictament proporcional. Aquest fet és fonamental per poder examinar l'existència de ferroelectricidad a les perovskites d’halur de plom, un tema que ha estat objecte de debat durant molts anys.
Per a l'estudi, es van analitzar mostres policristal·lines de perovskita d’halur de plom i mostres d'altres materials que tenen una ferroelectrictat coneguda com a control, i es van conduir experiments amb perovskites de diferents propietats (mida de gra, gruix de la capa, substrats diferents, textures diferents...) usant PFM i DPFM, i fins i tot EFM ( "electrostatic force microscopy").
És la primera vegada que la tècnica DPFM s'usa en cèl·lules solars de perovskita d’halur de plom. "Cap altre grup d'investigació ha aconseguit, amb resolució nano, elucidar si aquestes cèl•lules són realment ferroelèctriques o no" diu Gómez. Ara ja ho sabem.
Artícle de referència:
Andrés Gómez, Qiong Wang, Alejandro R. Goñi, Mariano Campoy-Quiles and Antonio Abate. Ferroelectricity-free lead halide perovskites. Energy Environ. Sci., 2019, Advance Article. DOI: 10.1039/C9EE00884E
Noticia via: Comunicación ICMAB-CSIC / Anna May