En los últimos años la perovskita está surgiendo como un material único llamado a revolucionar varias industrias relacionadas con la fotónica. Debido a su extraordinario rendimiento y su facilidad de fabricación, el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos basados en este material es el objetivo de múltiples estudios e investigaciones que están mostrando excelentes resultados en el desarrollo de células solares de última generación, diodos LED o fotodetectores. A pesar de ser una tecnología incipiente merece a la pena acercarnos a los últimos hallazgos conseguidos por estas investigaciones que pueden marcar el futuro de la fotónica y de la iluminación en estado sólido.
La perovskita es un término general usado para describir un grupo de materiales que tienen la misma estructura cristalina del titanato de calcio (CaTiO3), es decir, del mineral Perovskita descubierto por primera vez en 1839 en los montes Urales por L.A. Perovski. Se trata pues de una familia completamente nueva de materiales semiconductores definidos por esta estructura cristalina y que se caracterizan por tener una alta eficiencia fotoeléctrica en la conversión de luz solar en electricidad, unas buenas propiedades de emisión de luz y son fáciles de fabricar.
El interés en las perovskitas se disparó a partir del año 2009, después de un grupo de investigadores demostró como una perovskita orgánica-inorgánica de haluro era muy eficiente para convertir luz en electricidad. En tan solo dos años, las células solares basadas en perovskitas han alcanzado eficiencias de más del 20%, valores que las células solares basadas en silicio lograron tras 20 años de desarrollo.
Mientras que ha sido la industria fotovoltaica donde se han centrado los mayores desarrollos y el motor de innovación de los semiconductores de perovskita, actualmente su alcance se extiende a múltiples aplicaciones optoelectrónicas. Así muchas de las propiedades físicas subyacentes de las perovskitas que condujeron al progreso en la eficiencia de las células solares también permiten mejoras en el rendimiento de los dispositivos emisores de luz.
Sin embargo y a pesar de este enorme empujón que ha supuesto la investigación en células solares, los materiales de perovskitas para aplicaciones LED tienen una historia ligeramente más larga que las células solares. Así, en 1994 un grupo de científicos japoneses fueron capaces de desarrollar LEDs de perovskitas con luminancias de más de 10.000 cd/m2 pero solo a temperaturas del nitrógeno líquido (1) . En 1999, otros investigadores lograron conseguir un LED de perovskita que funcionase a temperatura ambiente pero con baja eficiencia (2). Ya más recientemente, en el año 2014 y tras el resurgimiento del interés en los materiales de perovskita debido al rápido aumento del rendimiento de las células solares, aparecieron nuevos informes que demuestran la electro-luminiscencia a temperatura ambiente (3). Desde entonces, ha habido múltiples investigaciones donde se han ido mejorando los valores de rendimiento y solucionando algunos de los problemas de la tecnología que colocan a la misma en una posición muy atractiva para su futuro desarrollo. A continuación analizamos los resultados conseguidas por estos últimos estudios donde se muestra el verdadero potencial de la perovskita como material de futuro en el ámbito de la fotónica y la iluminación en estado sólido:
Nuevo récord de eficiencia para los LEDs de Perovskita
Investigadores de la Universidad de Cambridge han establecido un nuevo récord de eficiencia para LEDs basados en semiconductores de perovskita (4). Gracias al utilizar una mezcla de perovskita y un polímero aislante han logrado eficiencias de generación de luz mucho mayores, cerca del límite de eficiencia teórico de los OLED de capa delgada. La nueva estructura ha logrado, por primera vez en dispositivos con perovskita, eliminar de manera efectiva las pérdidas no-emisivas, alcanzado una eficiencia cuántica externa superior al 20%, estableciendo así un nuevo récord para los LED de perovskita.
El futuro de las comunicaciones a través de la luz: Perovskita + LiFi
La implantación generalizada de la tecnología LED en todos los espacios iluminados y la cada vez mayor necesidad de datos creciendo a un ritmo exponencial está haciendo que las tecnologías de comunicación basadas en la luz, popularmente conocidas como Li-Fi (internet de banda ancha a través de la luz visible), tengan un enorme potencial y sean el centro de interés de múltiples investigaciones. Uno de estos campos de investigación, y fundamental para el desarrollo de estas comunicaciones ópticas del futuros, es el desarrollo de fotodetectores rápidos y fiables.
Las perovskitas de materiales inorgánicos tienen un enorme potencial para influir en el desarrollo de la comunicación a través de la luz. Estos materiales tiene tiempos de respuestas rápidos, son fáciles de fabricar y son extremadamente estables. Así lo aseguran los investigadores de un nuevo estudio, publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials, donde han demostrado cómo una perovskita inorgánica se puede convertir en un fotodetector rápido, económico y eficiente para la transmisición de datos a través de la luz (5).
Resolviendo los problemas medioambientales de la tecnología. LEDs de Perovskita sin plomo
Uno de los principales inconvenientes de los materiales con perovskita es que la mayoría contiene plomo. Un elemento altamente tóxico y que por tanto necesita de una gestión adecuada al final de su vida útil para mitigar su impacto ambiental. Pese a que las mayoría de investigaciones se centran en conseguir mayores eficiencias o facilidad de fabricación, también se están realizando estudios sobre perovskitas sin plomo para la emisión de luz bastante alentadores.
Así, por ejemplo, físicos de la Universidad de Toledo en EE.UU han logrado desarrollar una perovskita completamente inorgánica y sin plomo que permite la producción de luz blanca de alta eficiencia y con unos costes de fabricación bajos (6). El nuevo material se trata de una doble perovskita inorgánica sin plomo que no solo emite una luz blanca cálida estable y eficiente, ideal para la iluminación en estado sólido, sino que también es un ejemplo de cómo perovskitas sin plomo pueden mostrar unos rendimientos excepcionales.
Futuros desarrollos: Ventanas fotovoltaicas inteligentes de perovskitas
El desarrollo de ventanas inteligentes que son transparentes cuando no hay sol y se oscurecen automáticamente cuando este aparece, es una tecnología incipiente con un gran potencial de desarrollo. Un paso más allá sería conseguir que a la vez que la ventana se oscurece produjera electricidad de forma simultánea. El desarrollo de un vidrio fotovoltaico que también sea reversiblemente termocrómico es una tecnología perseguida por multitud de investigadores y que ahora, gracias a la utilización de la perovskita, puede ser una realidad.
Científicos del Laboratorio Nacional de Lawrence en Berkeley encontraron que la perovskita funciona sorprendentemente bien como material semiconductor estable y fotoactivo, pudiendo cambiar reversiblemente entre un estado transparente y otro no transparente sin degradar sus propiedades electrónicas (7).
Los investigadores hicieron el descubrimiento mientras investigaban la transición de fase de una perovskita inorgánica. La perovskita de haluros inorgánicos puede cambiar de una estructura cristalina a otra cuando se cambia ligeramente la temperatura o se introduce un poco de vapor de agua. Cuando el material cambia su estructura cristalina, este cambia de transparente a opaco, manteniendo la misma composición. El resultado es una célula solar que muestra un rendimiento totalmente reversible sin degradación, y abre el paso al desarrollo de ventanas inteligentes fotovoltaicas.
REFERENCIAS
- Organic‐inorganic heterostructure electroluminescent device using a layered perovskite semiconductor. M. Era, S. Morimoto, T. Tsutsui, and S. Saito (1994)
- Electroluminescence from an Organic−Inorganic Perovskite Incorporating a Quaterthiophene Dye within Lead Halide Perovskite Layers. Konstantinos Chondroudis, David B. Mitzi (1999)
- Kim, Y.-H.; Cho, H.; Lee, T.-W. Metal Halide Perovskite Light Emitters. Kim, Y.-H.; Cho, H.; Lee, T.-W.
- High-efficiency perovskite–polymer bulk heterostructure light-emitting diodes. Baodan Zhao, et al. (2018)
- High Performance and Stable All‐Inorganic Metal Halide Perovskite‐Based Photodetectors for Optical Communication Applications. Chunxiong Bao, et al. ( 2018)
- Efficient and stable emission of warm-white light from lead-free halide double perovskites. Jiajun Luo, et al. (2018)
Créditos Imagen Portada: Thor Balkhed (Fotodectector de Perovskita)
