Un equipo de físicos de la Universidad Autónoma de Madrid ha descrito algunas de las características que ayudarían a convertir las perovskitas bidimensionales —un nuevo material semiconductor— en el silicio del futuro
Las perovskitas son materiales semiconductores con características prometedoras para el desarrollo de aplicaciones fotovoltaicas y de emisión de luz. Al ser más fáciles de sintetizar y con una mayor absorción de luz que el silicio, pueden utilizarse para fabricar células fotovoltaicas más eficientes y baratas sin algunas de las desventajas que tiene el silicio, el material más usado en la actualidad en los paneles solares.
Sin embargo, las perovskitas convencionales son relativamente inestables. Ahora, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han estudiado las propiedades de una alternativa más robusta: la perovskita bidimensional o 2D, encontrando importantes características para el transporte de energía.
En comparación con la perovskita tridimensional, la perovskita 2D tiene una mayor resistencia a la humedad y al aire. Su estructura se basa en láminas de red cristalina octaédrica, intercaladas con láminas formadas por cadenas orgánicas.
a) Esquema de la estructura de las perovskitas: la lámina cristalina octaédrica (color azulado) y lámina con cadenas orgánicas (color verde). También se muestra la longitud de propagación de los excitones (LD) dentro de una lámina (flecha azul) y entre distintas láminas (flecha verde). B) Esquema de la absorción en las distintas láminas de perovskita de la energía originada por un dipolo / Magdaleno et al.
Las láminas de red cristalina son conductoras, y las orgánicas son aislantes de la electricidad. Debido a que las dimensiones de la lámina conductora son del orden de nanómetros, los portadores de carga se ven afectados por efectos de confinamiento cuántico y dieléctrico, lo cual lleva a la formación de excitones.
Transporte de excitones entre láminas
“Los excitones son cuasipartículas basadas en la unión de un electrón con un hueco. Estas cuasipartículas son los principales transportadores de energía en las perovskitas 2D más delgadas. En estudios previos demostramos un eficiente transporte de excitones dentro de cada lámina cristalina”, explican los autores del estudio.
De acuerdo con el trabajo, publicado en la revista Materials Horizons, la presencia de láminas aislantes resulta en un transporte de cargas libres (electrones y huecos por separado) entre distintas láminas casi nulo.
“Sin embargo —agregan los investigadores— dado que los excitones son partículas dipolares, la energía sí que puede ser transportada a través de interacciones dipolo-dipolo mediante el fenómeno denominado transferencia de energía de resonancia de Förster o FRET”.
Eficiencia sorprendente
Los investigadores observaron experimentalmente longitudes de propagación interlaminar de excitones de en torno a 100 nm. Este valor es tan solo del orden de la mitad de la longitud de propagación dentro de una lámina, por tanto, la propagación de energía entre láminas distintas de perovskitas 2D es sorprendentemente eficiente y del orden de magnitud que el transporte intralaminar.
“Ambas longitudes son suficientemente considerables para ser tenidas en cuenta a la hora de diseñar dispositivos fotovoltaicos o de emisión de luz”, aseguran los autores.
En cuanto a los modelos teóricos que explican el fenómeno, los autores realizaron simulaciones de la interacción mediante dipolos de Förster que les permitieron predecir un transporte interlaminar más lento que el observado experimentalmente.
“Estos resultados sugieren que la teoría de interacciones dipolo-dipolo de Förster no es suficiente para explicar el transporte de energía interlaminar en este tipo de materiales. Lo que conduce a la consideración de efectos como la transferencia de excitones calientes fuera del equilibrio o interacciones entre multipolos de mayor orden para explicar el fenómeno”, concluyen los investigadores.
Referencia bibliográfica:
Magdaleno, A. J.; Seitz, M.; Frising, M.; Herranz de la Cruz, A.; Fernández-Domínguez, A. I.; Prins, F. 2020. Efficient Interlayer Exciton Transport in Two-Dimensional Metal-Halide Perovskites. Material Horizons. https://doi.org/10.1039/d0mh01723j
