Investigadores de la Universidad McGill han obtenido nuevos conocimientos sobre el funcionamiento de las perovskitas, un material semiconductor muy prometedor para la fabricación de células solares de alta eficiencia y bajo coste, así como de otros dispositivos ópticos y electrónicos.
Las perovskitas han llamado la atención en la última década por su capacidad de actuar como semiconductores incluso cuando hay defectos en la estructura cristalina del material. Esto hace que las perovskitas sean especiales porque conseguir que la mayoría de los demás semiconductores funcionen bien requiere técnicas de fabricación estrictas y costosas para producir cristales lo más libres de defectos posible.
El equipo de McGill ha dado un paso adelante para desvelar el misterio de cómo las perovskitas consiguen este truco, lo que supone el descubrimiento de un nuevo estado de la materia.
“Históricamente, se han utilizado semiconductores a granel que son cristales perfectos. Y ahora, de repente, este cristal imperfecto y blando empieza a funcionar para aplicaciones semiconductoras, desde la fotovoltaica hasta los LED”, explica el autor principal, Patanjali Kambhampati, profesor asociado del Departamento de Química de McGill. “Ese es el punto de partida de nuestra investigación: ¿cómo puede funcionar de forma perfecta algo que es defectuoso?”.
Puntos cuánticos, pero no como los conocemos
En un artículo publicado el 26 de mayo en Physical Review Research, los investigadores revelan que en los cristales de perovskita a granel se produce un fenómeno conocido como confinamiento cuántico. Hasta ahora, el confinamiento cuántico sólo se había observado en partículas de unos pocos nanómetros de tamaño; los puntos cuánticos de la televisión de pantalla plana son un ejemplo muy célebre.
Cuando las partículas son tan pequeñas, sus dimensiones físicas limitan el movimiento de los electrones de forma que les confieren propiedades claramente diferentes a las de piezas más grandes del mismo material, propiedades que pueden ajustarse para producir efectos útiles como la emisión de luz en colores precisos.
Mediante una técnica conocida como espectroscopia de bombeo/sonda con resolución de estado, los investigadores han demostrado que se produce un tipo de confinamiento similar en los cristales de perovskita de bromuro de cesio.
En otras palabras, sus experimentos han descubierto un comportamiento similar al de los puntos cuánticos en trozos de perovskita mucho más grandes que los puntos cuánticos.
Un resultado sorprendente conduce a un descubrimiento inesperado
El trabajo se basa en una investigación anterior que estableció que las perovskitas, aunque parecen ser una sustancia sólida a simple vista, tienen ciertas características más comúnmente asociadas a los líquidos. En el centro de esta dualidad líquido-sólido se encuentra una red atómica capaz de distorsionarse en respuesta a la presencia de electrones libres.
Kambhampati establece una comparación con un trampolín que absorbe el impacto de una piedra lanzada contra su centro. Al igual que el trampolín acaba deteniendo la roca, la distorsión de la red cristalina de la perovskita -fenómeno conocido como formación de polaron- tiene un efecto estabilizador sobre el electrón.
Mientras que la analogía del trampolín sugeriría una disipación gradual de energía consistente con un sistema que pasa de un estado excitado a otro más estable, los datos de la espectroscopia de bombeo/sonda revelaron de hecho lo contrario. Para sorpresa de los investigadores, sus mediciones mostraron un aumento global de la energía tras la formación del polaron.
“El hecho de que la energía se elevara muestra un nuevo efecto mecánico cuántico, un confinamiento cuántico como un punto cuántico”, dice Kambhampati, explicando que, a la escala de tamaño de los electrones, la roca del trampolín es un excitón, el emparejamiento ligado de un electrón con el espacio que deja cuando está en un estado excitado.
“Lo que hace el polaron es confinar todo en un área espacialmente bien definida. Una de las cosas que nuestro grupo pudo demostrar es que el polarón se mezcla con un excitón para formar lo que parece un punto cuántico. En cierto sentido, es como un punto cuántico líquido, que es algo que llamamos una gota cuántica. Esperamos que la exploración del comportamiento de estas gotas cuánticas permita comprender mejor cómo diseñar materiales optoelectrónicos tolerantes a los defectos”.
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