Transporte de excitones en perovskitas 2D: Visualización del flujo de energía en un semiconductor blando.
Una década después de su descubrimiento, las células solares basadas en perovskitas de haluro metálico se han posicionado a la cabeza de las células solares de unión única más eficientes, rivalizando incluso con el silicio cristalino. Sin embargo, un ingrediente clave que falta en las perovskitas es la estabilidad química. Una ruta prometedora para abordar el problema de la estabilidad es el uso de perovskitas de dimensiones inferiores, como las perovskitas bidimensionales (2D), que muestran una mejor resistencia a la degradación que las fases 3D convencionales. La dimensionalidad reducida, sin embargo, altera significativamente las propiedades fotofísicas de las perovskitas. En lugar de actuar como portadores libres, los electrones y los huecos están unidos entre sí y viajan a través del material como pares neutros llamados excitones. Para garantizar que cada fotón absorbido contribuya a la generación de energía en una célula solar, los excitones deben difundirse lo suficiente como para llegar a los sitios de separación de carga.
En un trabajo publicado en la revista Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-020-15882-w), los investigadores Michael Seitz, Alvaro J. Magdaleno, Nerea Alcázar-Cano, Marc Meléndez, Tim J. Lubbers, Sanne W. Walraven, Sahar Pakdel, Elsa Prada, Rafael Delgado-Buscalioni y Ferry Prins, del Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid, han visualizado directamente el transporte de excitones en perovskitas 2D utilizando microscopía de fotoluminiscencia transitoria (TPLM). Los resultados muestran que los excitones experimentan una difusión rápida inicial a través del plano cristalino, seguida de un régimen subdifusivo más lento a medida que los excitones quedan atrapados. Curiosamente, el régimen de transporte lento limitado por la presencia de trampas desaparece a intensidades de iluminación más altas. Utilizando modelos teóricos, los autores encuentran que esto puede explicarse por un comportamiento de llenado de dichas trampas. Sin embargo, el hallazgo más importante de este estudio es que la difusividad intrínseca temprana depende notablemente del tipo de espaciador orgánico usado para separar las láminas inorgánicas en las perovskitas 2D. Entre los espaciadores orgánicos comúnmente utilizados (fenetilamonio y butilamonio), las difusividades y las longitudes de difusión difieren tanto como en un orden de magnitud. Estos cambios están estrechamente relacionados con variaciones en la rigidez de la red, lo que sugiere un papel dominante del acoplamiento excitón-fonón y de la formación excitón-polarón en la dinámica espacial de los excitones en estos materiales. Los descubrimientos aportados por este estudio proporcionan una estrategia de diseño clara para mejorar el rendimiento de las células solares y los dispositivos emisores de luz basados en perovskitas 2D.
