Els híbrids de perovskita i nanotubs de carboni per a la construcció de fototransistors ambipolars d’alta detectivitat (Fotònica mediterrània, 8/2017)

La consecució de nous materials és una peça clau si hom vol millorar les prestacions de l’energia fotovoltaica. En general, aquests materials també tindrien aplicacions en altres àmbits de l’optoelectrònica. El procés de construcció de cèl·lules fotovoltaiques de cristalls de silici és força costós, tant pels processos com per les condicions en les quals s’han de fer. Els materials amb una estructura cristal·lina anàloga a la perovskita natural (CaTiO3) reben un considerable interès per les propietats de magnetoresistència, ferroelectricitat, superconductivitat, ordenament de càrrega, transport dependent d’espín, alta termopotència, etc. Els trihalurs organopúmblics amb estructura de perovskita en són un exemple activament investigat. Els costos de processament i les propietats físiques que exhibeixen els fan certament atractius. Ara bé, cal superar algunes limitacions de les pel·lícules d’aquest material pel que fa a la mobilitat electrònica, degudes a imperfeccions estructurals. Per superar-les, una col·laboració liderada pel Departament de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat Rei Abdul·là de Ciència i Tecnologia de Thuwal (Aràbia) ha desenvolupat un films de perovskita acoblats amb nanotubs de carboni, assolint una mobilitat electrònica de 108,7 cm-2V-1s-1. Aquesta fita la documenten en un article que es publicarà properament a la revista Advanced Materials.

Una col·laboració internacional per al desenvolupament de nous materials per a cèl·lules fotovoltaiques

El 75% dels ingressos de les arques públiques del Regne Saudí d’Aràbia procedeixen del petroli. De fet, el 90% dels ingressos per exportacions del país són petroliers. I la indústria petroliera suposa el 45% del PIB. Les reserves estimades en 4,1·1010 m3 suposen vora un 20% de les reserves mundials. No obstant això, cal remarcar un esforç notable en la recerca sobre energies alternatives al petroli i, particularment, l’energia solar fotovoltaica.

El grup de recerca de Tao Wu, del Laboratori de Nanoòxids per a una Energia Sostenible, de la Universitat Rei Abdul·là de Ciència i Tecnologia, a Thuwal, a la riba de la Mar Roja, és un exemple d’aquest interès. La Universitat mateixa obrí les portes en el 2009.

Juntament amb Tao (Tom) Wu, treballen en aquesta recerca sobre halurs amb estructura de perovskita, Feng Li, Hong Wang, Chun Ma, Yangyang Li i Zhixiong Liu, també del Laboratori de Thuwal. Però també hi ha col·laborat investigadors d’altres centres:
– El Centre de Recerca en Enginyeria Solar i Fotovoltaica de Thuwal, adscrit a la Universitat, on treballen Weili Yu, Erkki Alarousu i Omar F. Mohammed.
Primalight, laboratori adscrit a la mateixa Universitat, on treballen Changxu Liu i Andrea Fratalocchi.
– El “Core lab” de la mateixa Universitat, on treballa Nini Wei.
– L’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Castelldefels, on treballa el Grup de Nanomaterials Optoelectrònics de Gerasimos Konstantatos i Dominik Kufer.
– El Departament de Química de la Universitat Nacional de Singapur, on treballa el grup de recerca de Xiaogang Liu i Liangliang Liang.
– El Departament d’Enginyeria Electrònica i Elèctrica de la Universitat de Ciència i Tecnologia del Sud de la Xina, a Shenzhen, on treballa Fei Wang.
– El Departament de Física de la mateixa universitat de Shenzhen, on treballa Lang Chen.

L’ús de nanotubs de carboni per atenuar les imperfeccions de l’estructura de perovskita

L’estructura de perovskita té com a fórmula general ABX3. Els àtoms d’X (habitualment oxigen o un halogen) apareixen assenyalats amb un punt vermell. Les posicions A i B poden ser ocupades per diferents metalls (en la perovskita epònima, calci i titani).

Les perovskites de trihalurs organopúmblics es fonamenten en la combinació de d’anions halurs (fluorur o clorur) amb cations de plom i cations orgànics. La fabricació de films d’aquesta perovskita és realitzable en laboratoris convencionals, amb un cost relativament reduït tant pel que fa a les matèries primeres com als processos. La limitació, però, la constitueixen imperfeccions de la pel·lícula de perovskita (granulacions, forats, etc.), que davallen la mobilitat electrònica.

Nanotub de grafè de paret única vist al microscopi electrònic

Li et al. afegeixen nanotubs de carboni de paret senzilla a l’estructura de perovskita. Amb això aconsegueixen uns valors notables de mobilitat de forats (595,3 cm-2·V-1·s-1) i d’electrons (108,7 cm-2·V-1·s-1). De fet són els valors experimentals més elevats obtinguts en un film de perovskita.

Aplicacions

Li et al. calculen que fototransistors ambipolars construïts amb aquest material podrien assolir una detectivitat de 3,7·1014 cm·Hz0,5·W-1 i una responsivitat de 1·104 A·W-1. Son valors similars a fotodetectors ja disponibles, però de fabricació més costosa.

Els fototransistors fets d’híbrids de perovskita/nanotubs de carboni podrien tindre aplicacions prometedores en l’optoelectrònica, la conversió d’energia solar i el desenvolupament de nanofotosensors.

Lligams:

Ultrahigh Carrier Mobility Achieved in Photoresponsive Hybrid Perovskite Films via Coupling with Single-Walled Carbon Nanotubes. Feng Li, Hong Wang, Dominik Kufer, Liangliang Liang, Weili Yu, Erkki Alarousu, Chun Ma, Yangyang Li, Zhixiong Liu, Changxu Liu, Nini Wei, Fei Wang, Lang Chen, Omar F. Mohammed, Andrea Fratalocchi, Xiaogang Liu, Gerasimos Konstantatos, Tom Wu. Advanded Materials. 10.1102/adma.201602432 (2017).

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: