La mañana comienza difícil, especialmente si te levantas a las cinco y media. Fuera de la ventana llueve, ocultando debajo de los paraguas las caras de algunas alondras corriendo al trabajo, y los búhos que regresan a casa en pasos medidos. El despertador, por ser una escoria por naturaleza, continúa con su precisión inherente para sonar por tercera vez. Y por alguna razón, parece que está haciendo esto con irritación y reproche. Observando la regla de la tercera señal de vigilancia nocturna del Juego de Tronos, debes levantarte de la cama en la tercera llamada y, como los caminantes blancos, caminar hacia la cocina. Hervidor de agua, taza, azúcar, café. Eso es todo, la mañana comenzó oficialmente.
Este breve ensayo transmite claramente la rutina matutina de muchos de nosotros. Y su principal atributo es el café, sin el cual en la mañana a veces es difícil recordar la presencia del cerebro en el cráneo. El efecto vigorizante del café es el resultado del efecto psicoestimulador de la cafeína. De lo que estoy hablando, un grupo de científicos, por diversión, decidió usar cafeína para mejorar las fotocélulas. Y como sabemos, en cada chiste hay algo de verdad, porque esta idea divertida dio resultados sorprendentes en la práctica. ¿Cómo se implementó la cafeína en las fotocélulas, qué indicadores podrían mejorarse y en qué medida se justifica dicha mejora? Encontraremos respuestas a estas y otras preguntas (no, no en el café molido) en un informe de científicos. Vamos
Base de estudio
Como mencioné anteriormente, este estudio realmente se originó como una broma sobre una taza de café de la mañana en la cafetería del laboratorio. Sin embargo, los científicos no serían científicos si no hubieran intentado implementar algo así, aunque sea ridículo a primera vista.
Además de la cafeína, la principal experimental no era una simple fotocélula, sino una perovskita.
La fotocélula * es un dispositivo electrónico para convertir la energía de los fotones (luz solar) en energía eléctrica.
Perovskita * es un mineral raro de titanato de calcio (CaTiO 3 ).
Una fotocélula de perovskita se basa en materiales de un híbrido orgánico-inorgánico de haluro de perovskita (en adelante
PVSK ). PVSK es un verdadero avance en energía solar, lo que se confirma mediante estadísticas de uso: 3.8% en 2009 y 23.3% a fines de 2018. Sin embargo, alégrate por el éxito de este material hasta ahora solo en condiciones de laboratorio, porque los problemas con la estabilidad a largo plazo no permiten su uso en la producción comercial de células solares. Por ejemplo, los PVSK basados en cesio (Cs) y formamidinio (FA), populares en la investigación, no pueden funcionar normalmente a temperatura ambiente en términos de propiedades termodinámicas. Pero puede ser PVSK a base de metil amonio (PV).
Pero esto tampoco es tan simple: el catión orgánico MA PVSK es volátil, lo que resulta en la rápida descomposición de PVSK y la precipitación de yoduro de plomo trigonal (PbI
2 ) a temperaturas elevadas.
También hay un problema con los iones dentro del PVSK. Los investigadores dan un ejemplo vívido: el ion I puede pasar fácilmente a través de granos policristalinos de PVSK e ir más allá de la capa de PVSK, y luego actuar sobre un electrodo de metal bajo la influencia de la energía térmica. Esto causa defectos en forma de secciones de recombinación no radiativa. Además, los granos PVSK orientados al azar pueden conducir a una transferencia de carga débil en la dirección vertical, que es una consecuencia del proceso de crecimiento rápido e incontrolado de la película PVSK.
Según los científicos, la abrumadora mayoría del trabajo para mejorar el rendimiento de las células solares basadas en PVSK estaba dirigida a los dispositivos mismos, su arquitectura y mejoras estructurales, y no a PVSK.
En el mismo estudio, los científicos aplicaron 1,3,7-trimetil-xantina, un nombre científico fantástico para la cafeína (estructura de Lewis y modelo tridimensional
1A a continuación) a PVSK basado en metil amonio (MA). Usando grupos carboxilo en diversas condiciones químicas, la cafeína se convirtió en una especie de "puerta molecular" que interactuaba con los
iones Pb
2+ , lo que ralentiza el crecimiento de los cristales PVSK. Además, fue posible lograr la orientación deseada aumentando la energía de activación.
Como resultado, fue posible lograr una excelente cristalinidad de las películas PVSK con cafeína y una menor densidad de defectos, así como una mejor transferencia de carga vertical. Y el coeficiente de rendimiento (COP) obtenido anteriormente era inimaginable para esta tecnología 20.25%. En cuanto a la estabilidad térmica del dispositivo, los científicos lograron lograr la estabilidad a una temperatura de 85 ° C durante más de 1300 horas.
Estos son resultados realmente excelentes, especialmente teniendo en cuenta las raíces cómicas de este estudio. Ahora echemos un vistazo más de cerca a qué y cómo funcionó.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1La Figura
1B muestra los resultados de la espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier de cafeína (línea azul), MAPbI
3 puro (línea negra) y MAPbI
3 con cafeína (línea roja). Las vibraciones de estiramiento relacionadas con los dos enlaces C = O en cafeína pura aparecen en 1.652 cm
-1 y 1.699 cm
-1 . Cuando se agregó cafeína a la película MAPbI
3 , se observó un cambio de estiramiento de C = O con una frecuencia más baja de 1.652 a 1.657 cm
-1 , mientras que el modo vibratorio C = O en 1.699 cm
-1 conserva su valor original. Esto es una indicación de que la cafeína está presente en la película MAPbI
3 después del recocido y, posiblemente, formó un aducto con MAPbI
3 a través de la interacción entre Pb
2+ en PVSK y uno de los enlaces C = O en cafeína.
Para confirmar aún más el efecto de la cafeína en PVSK, los científicos realizaron una espectroscopia del aducto PbI
2 -MAI-DMSO-cafeína, que también mostró un desplazamiento de desplazamiento de C = O de 1652 a 1643 cm
-1 (
1C ).
Estas observaciones confirman que la interacción entre C = O en la cafeína y los
iones Pb
2+ forma una puerta molecular que aumenta la energía de activación. Y esto, a su vez, ralentiza el proceso de crecimiento del cristal PVSK, mejorando la cristalinidad general de las películas PVSK. Además, esta puerta molecular posiblemente interactuará con PVSK amorfizada al calentarse, lo que puede evitar la descomposición térmica.
Imagen No. 2La imagen
2A es una imagen SEM de sección transversal de una película de cafeína PVSK. Se llevaron a cabo cambios en la atenuación de la fotoluminiscencia estacionaria (
2B ) y la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (
2C ) para estudiar la calidad de la película y la dinámica de la recombinación de carga. La intensidad de fotoluminiscencia de la película PVSK con cafeína (líneas negras) fue 6 veces mayor que la de las películas sin cafeína (líneas rojas). También se observó un cambio azul de 770 a 763 nm, que confirma una vez más la disminución en el número de defectos durante la incorporación de cafeína en la estructura de la película PVSK.
Luego, se realizó un análisis de difracción de rayos X para estudiar la estructura cristalina de la película PVSK depositada sobre un sustrato de indio y óxido de estaño (
2D ). Y para las películas con y sin cafeína, no se encontró un pico de difracción en 12.5, que corresponde a los planos (001) de PbI
2 hexagonal. Ambas películas mostraron la misma fase tetragonal de PVSK con una reflexión dominante (110) de la red en 13.9, que es una excelente orientación para las películas de PVSK estudiadas. La proporción de intensidad máxima (110) a 13,9 a intensidad máxima (222) a 31,8 aumentó de 2,00 a 2,43 cuando se añadió cafeína. Esto indica un crecimiento más rápido de (110) granos que absorben granos orientados al azar.
Los tamaños de grano también se midieron usando la fórmula de Scherrer y el ancho medio del pico (110). Con la introducción de la cafeína, el tamaño del grano aumentó de 37.97 a 55.99 nm.
La Figura
2E nos muestra un gráfico del ángulo azimutal normalizado a lo largo del plano (110) de las películas MAPbI
3 sin cafeína (línea roja) y con cafeína (línea negra). En un ángulo de 90 °, una película con cafeína muestra un pico bastante pronunciado en comparación con un cautivo descafeinado. Un ancho medio más estrecho sugiere que la cafeína contribuyó al crecimiento de los granos PVSK a lo largo del avión, lo que mejora la transferencia de carga.
Luego, los científicos realizaron un análisis de la fotocorriente transitoria (
TPC ) y la tensión fotovoltaica transitoria (
TPV ).
Las fotocélulas experimentales se hicieron teniendo en cuenta la estructura plana de corte, y el óxido de indio y estaño (ITO) actuó como un ánodo. A su vez, se usaron nanopartículas de óxido de estaño como capa de transporte de electrones. Tanto MAPbI
3 puro como MAPbI
3 que contiene cafeína actuaron como una capa activa. La poli [bis (4-fenil) (2,4,6-trimetilfenil) amina] ([C
6 H
4 N (C
6 H
2 (CH
3 )
3 )
3 ) C
6 jugó el papel de la capa de transporte del agujero (cuasipartículas con carga positiva). H
4 ]
n ) dopado con 4-isopropil-40-metildifenil-iodonio tetrakis (pentafluorofenil) borato (C
40 H
18 BF
20 I). Se usó plata (Ag) para el cátodo.
Imagen No. 3La imagen
3A muestra curvas JV (densidad de corriente, mA / cm
2 ) de dispositivos basados en MAPbI
3 puro y MAPbI
3 / cafeína obtenidas utilizando el sol artificial AM1.5G con una intensidad de 100 mW / cm
2 . El porcentaje de cafeína incorporada al sistema varió de 0 a 2% de la masa total.
Un aumento en la cantidad de cafeína introducida al 1% condujo a un aumento en algunas características, a saber: voltaje de circuito abierto (V
oc ), corriente de cortocircuito (J
sc ), ciclo de trabajo (FF) y reproducibilidad.
La eficiencia máxima (PCE en la tabla a continuación) de MAPbI
3 puro (sin cafeína) fue de 17.59% (V
oc : 1.074 V, J
sc : 22.29 mA / cm
2 , FF: 73.46%). Pero cuando hay 1% de cafeína en el sistema, el índice de eficiencia aumentó a 20.25% (V
oc : 1.143 V, J
sc : 22.97 mA / cm
2 , FF: 77.13%).
Los científicos atribuyen el aumento de V
oc y FF a una disminución de la recombinación no radiativa y defectos cristalinos, que es el resultado de la pasivación debido a la incorporación de cafeína en el sistema. El parámetro J
Sc también aumentó de 22.29 a 22.97 mA / cm
2 (gráfico
3B ).
Para un estudio más detallado del efecto de la cafeína en el rendimiento del sistema, los científicos realizaron un análisis comparativo de la cinética de la transferencia de carga y la recombinación de carga de las células solares con y sin cafeína. El análisis mostró (
3C ) que la vida útil de la recombinación de carga (t
r ) de un dispositivo con cafeína (285 ms) fue mucho más larga que sin cafeína (157 ms). De esto se deduce que la concentración de defectos es mucho menor. En este caso, el tiempo de transferencia de carga (t
t ) cuando se agregó cafeína al dispositivo disminuyó de 2.67 a 2.08 ms.
Tabla de indicadores según la concentración de cafeína.Para confirmar el efecto del obturador molecular de la cafeína en las células solares durante el proceso de descomposición térmica, los científicos realizaron una prueba de resistencia a cargas térmicas constantes: 85 ° C en un medio de nitrógeno.
El dispositivo con cafeína mostró una excelente estabilidad térmica, conservando el 86% de la eficiencia original después de 1300 horas. Pero el dispositivo descafeinado en las mismas condiciones retuvo solo el 60% de la eficiencia primaria. Los científicos atribuyen esto a la migración de iones, la cristalización deficiente y la inestabilidad de fase de MAPbI
3 puro a altas temperaturas.
Imagen No. 4Los científicos debían comprender con más detalle el efecto de la cafeína en el funcionamiento de las células solares en términos de migración de iones y descomposición de fases. Para esto, se realizó un análisis de difracción de rayos X (
4B ) de los dispositivos después de las pruebas de estabilidad térmica.
El dispositivo libre de cafeína mostró un pico bastante grande a 12.5, asociado con el plano (001) de PbI
2 hexagonal. Difracción muy débil en 13.9 implica degradación completa del cristal PVSK. Pero se observó una difracción relativamente fuerte de 38.5 en relación con el plano (003) de PbI
2 .
Como se mencionó anteriormente, la muy buena cristalinidad de PVSK debido a la adición de cafeína debería evitar la migración de iones durante el calentamiento. Se realizó un análisis termogravimétrico de cafeína y aducto para establecer la estabilidad de fase y las propiedades térmicas de la cafeína y la fase intermedia del aducto. Los gráficos
4C y
4D muestran la pérdida de masa y el flujo de calor de cafeína, PVSK puro y PVSK + cafeína.
El análisis mostró que la cafeína se descompone completamente a una temperatura de aproximadamente 285 ° C, mientras que mostró una excelente estabilidad térmica a temperaturas inferiores a 200 ° C. En el gráfico 4C podemos ver tres etapas de pérdida de masa de PVSK puro: 70 ° C, 340 ° C y 460 ° C. Esto se debe a la sublimación de DMSO, MAI y PbI
2 , respectivamente. La temperatura de sublimación de MAI y PbI
2 para la cafeína PVSK + fue significativamente mayor, lo que indica la necesidad de más energía para romper el enlace entre la cafeína y PVSK. Esta declaración está respaldada por un análisis de flujos de calor (
4D ). Por lo tanto, el enlace entre la cafeína y PVSK forma una puerta molecular, que aumenta la velocidad de activación de la energía de descomposición requerida durante el calentamiento.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
Este estudio mostró que la introducción de cafeína en los materiales PVSK permite obtener células fotoeléctricas con alta eficiencia, reducir la migración de iones, reducir el número de defectos y mejorar la estabilidad térmica. El uso de materiales PVSK comenzó no hace mucho tiempo, pero ya se considera la rama más prometedora de la energía solar. Y esto significa que es necesario mejorar todos los aspectos de esta tecnología si queremos obtener dispositivos que tengan un alto rendimiento a bajo costo. Este trabajo solo se relaciona con la investigación dirigida precisamente a esto.
El uso de cafeína en el desarrollo de las células solares suena como una broma, fue una broma sobre una taza de café en la mañana en el laboratorio. Pero los chistes son malos con los científicos, y cualquiera, incluso la idea más extraña, puede dar un excelente resultado si aplica el conocimiento, el ingenio y un pequeño enfoque creativo.
Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos.
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