El descubrimiento podría mejorar las nuevas células solares portadoras de calor, que convierten la luz solar en electricidad de manera más eficiente que las células solares convencionales al aprovechar los portadores de carga fotogenerados antes de que pierdan energía en calor.
Dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Tennessee, Knoxville, un estudio de un material de energía solar muy prometedor reveló una forma de ralentizar los fonones, las ondas que transportan el calor. El descubrimiento podría mejorar las nuevas células solares portadoras de calor, que convierten la luz solar en electricidad de manera más eficiente que las células solares convencionales al aprovechar los portadores de carga fotogenerados antes de que pierdan energía en calor.
“Demostramos que el transporte térmico y el tiempo de enfriamiento del portador de carga se pueden manipular cambiando la masa de átomos de hidrógeno en un material fotovoltaico”, dijo Michael Manley de ORNL. “Esta ruta para extender la vida útil de los portadores de carga presenta nuevas estrategias para lograr una eficiencia récord de conversión de energía solar a eléctrica en nuevas células solares de portadores calientes”.
Mahshid Ahmadi de UT señaló: "El ajuste de la dinámica de las moléculas orgánicas puede permitir el control de fonones, importantes para la conductividad térmica en las perovskitas organometálicas". Estos materiales semiconductores son prometedores para aplicaciones fotovoltaicas .
Manley y Ahmadi diseñaron y administraron el estudio, publicado en Science Advances. Los expertos en síntesis de materiales, dispersión de neutrones, espectroscopia láser y teoría de la materia condensada descubrieron una forma de inhibir el excesivo enfriamiento de carga intercambiando un isótopo más ligero por uno más pesado en una perovskita organometálica.
Cuando la luz solar incide en una célula solar, los fotones crean portadores de carga (electrones y huecos ) en un material absorbente. Las células solares portadoras de calor convierten rápidamente la energía de los portadores de carga en electricidad antes de que se pierda como calor residual. Evitar la pérdida de calor es un gran desafío para estas células solares, que tienen el potencial de ser dos veces más eficientes que las células solares convencionales.
La eficiencia de conversión de las células solares de perovskita convencionales ha mejorado del 3% en 2009 a más del 25% en 2020. Un dispositivo portador de calor bien diseñado podría lograr una eficiencia de conversión teórica cercana al 66%.
Los investigadores estudiaron el yoduro de metilamonio y plomo, un material absorbente de perovskita. En su red, las excitaciones colectivas de los átomos crean vibraciones. Las vibraciones que se mueven sincronizadas entre sí son fonones acústicos, mientras que las que no están sincronizadas son fonones ópticos.
"Normalmente, los portadores de carga primero pierden su calor a los fonones ópticos, que se propagan más lentamente que los fonones acústicos", explicó el coautor de ORNL, Raphael Hermann. "Más tarde, los fonones ópticos interactúan con los fonones acústicos que transportan esta energía".
Sin embargo, en una región llamada "cuello de botella de fonones calientes", la física exótica evita que los electrones pierdan su energía debido a las vibraciones colectivas que transportan el calor. Para mejorar este efecto en una perovskita fotovoltaica, los investigadores utilizaron la inercia, la tendencia de un objeto a seguir haciendo lo que está haciendo, ya sea en reposo o en movimiento.
“Básicamente, redujimos la velocidad con la que las moléculas pueden oscilar, de forma similar a frenar a una patinadora sobre hielo al poner pesas en las manos”, dijo Hermann.
Para hacer eso en una red atómica ordenada, Ahmadi y Kunlun Hong de ORNL dirigieron la síntesis de cristales de yoduro de plomo de metilamonio en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Ellos sustituyeron un isótopo más ligero de hidrógeno, normalmente el protio, que no tiene neutrones, con una más pesada, deuterio, que tiene un neutrón, en molécula orgánica central de la perovskita, metilamonio, o MA. Los isótopos son átomos químicamente idénticos que difieren solo en masa debido a la diferencia en el número de neutrones.
A continuación, Manley y Hermann, junto con Songxue Chi de ORNL, llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones de triple eje en el reactor de isótopos de alto flujo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para mapear la dispersión de fonones en cristales protonados y deuterados. Debido a que vieron un desacuerdo entre sus mediciones y los datos publicados de mediciones inelásticas de rayos X, realizaron mediciones adicionales en la fuente de neutrones de espalación, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Allí, Luke Daemen de ORNL utilizó el espectrómetro vibratorio VISION para revelar todas las energías vibratorias posibles. Los resultados combinados indicaron que los modos acústicos longitudinales con longitudes de onda cortas se propagan más lentamente en la muestra deuterada, lo que sugiere que la conductividad térmica puede reducirse.
Hsin Wang de ORNL realizó mediciones de difusividad térmica para investigar cómo se movía el calor en los cristales. "Esas mediciones nos dijeron que la deuteración disminuyó la ya de por si baja conductividad térmica en un 50%", dijo Manley. "Nos dimos cuenta entonces de que tal vez este hallazgo afecta las cosas que les interesan a los fabricantes de dispositivos solares, específicamente, mantener calientes los portadores de carga".
El estudio proporcionó una comprensión sin precedentes del efecto del aumento de la masa atómica en la transferencia de calor.
"Muchas vibraciones, como los modos de estiramiento de los átomos de hidrógeno, tienen frecuencias tan altas que normalmente no interactúan con las vibraciones de menor energía del cristal", dijo Daemen. Los modos de menor energía incluyen el balanceo de moléculas.
La frecuencia de oscilación de la molécula orgánica MA es un poco más alta que la frecuencia de las vibraciones colectivas. Sin embargo, cuando un átomo de deuterio sustituye a un isótopo de hidrógeno más ligero, su mayor masa frena el balanceo de MA. Se balancea a una frecuencia más cercana a la de las vibraciones colectivas, y las dos comienzan a interactuar y luego se acoplan fuertemente. Los fonones sincronizados se ralentizan y se vuelven menos efectivos para eliminar el calor.
Hermann comparó la influencia de la frecuencia con las diferentes acciones de un niño cuando su padre lo empuja en un columpio. “El caso protonado es como el niño moviendo sus piernas demasiado rápido para estar sincronizado con el empujón de papá. No va a ir más alto. Pero si comienza a mover las piernas aproximadamente a la misma frecuencia que el balanceo, es como en el caso deuterado. El niño ha ralentizado sus piernas lo suficiente como para comenzar a sincronizarse con el swing empujado, lo que agrega impulso. Él puede balancearse más alto porque los dos movimientos están acoplados ".
Las mediciones de ORNL revelaron un efecto que excedió con creces lo esperado al cambiar la masa del hidrógeno: la deuteración ralentizó tanto el transporte de calor que el tiempo de enfriamiento del portador de carga se duplicó.
Para confirmar este hallazgo, el coautor de ORNL, Chengyun Hua, utilizó experimentos láser resuelto en el tiempo para medir la disipación de energía de los electrones en las perovskitas deuteradas y protonadas en escalas de tiempo diminutas, cuadrillonésimas de segundo.
“Estas mediciones confirmaron que los enormes cambios en los fonones y la conductividad térmica inducidos por el isótopo pesado se traducen en un tiempo de relajación más lento para los electrones fotoexcitados”, dijo Hua. "Este es un factor importante para mejorar las propiedades fotovoltaicas".
Los coautores de la Universidad de California, Berkeley, Yao Cai y Mark Asta, quien también trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, realizaron cálculos basados en la teoría para brindar información sobre las complejidades del comportamiento de los fonones.
El descubrimiento realizado en el estudio dirigido por ORNL-UT puede proporcionar un camino para los futuros fabricantes de células solares portadoras de calor.
"Los fonones parecen una perilla bastante eficaz para girar, y sabemos cómo girar la perilla", dijo Manley. “Cuando desee mejorar los materiales, puede agregar una molécula, metilamonio o algo más. El hallazgo puede informar las decisiones de los desarrolladores sobre cómo cultivan sus cristales".
Ahmadi agregó: "Este conocimiento se puede utilizar para guiar el diseño de materiales para aplicaciones más allá de la energía fotovoltaica, como sensores ópticos y dispositivos de comunicación".
Mas información: M. E. Manley, et. al. Giant isotope effect on phonon dispersion and thermal conductivity in methylammonium lead iodide. Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aaz1842
Fuente original: Oak Ridge National Laboratory