Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

La búsqueda de energías más limpias se ha centrado durante mucho tiempo en materiales que puedan capturar la luz solar y convertirla en electricidad con una eficiencia notable. Entre los candidatos más prometedores se encuentran una familia de cristales conocidos como perovskitas, que han revolucionado recientemente el campo de la energía solar. Estos materiales están construidos a partir de una disposición específica de átomos que les permite absorber la luz intensamente y mover las cargas eléctricas rápidamente. Durante años, la versión más eficaz de estos cristales ha dependido del plomo, un elemento que hace que funcionen excepcionalmente bien pero que también introduce un problema grave: el plomo es tóxico. Representa riesgos significativos para la salud humana y el medio ambiente, afectando al sistema nervioso y a los órganos, y puede acumularse en el suelo y el agua. Esto crea un dilema difícil para los científicos: cómo mantener el alto rendimiento de estos materiales solares eliminando al mismo tiempo el elemento peligroso que los hace nocivos.

En un estudio publicado en agosto de 2026, los investigadores Hasan Abbas y Zishan H. Khan, de la Universidad Jamia Millia Islamia en la India, abordaron este desafío comparando el cristal estándar basado en plomo con una nueva alternativa libre de plomo. Se propusieron crear dos materiales específicos en el laboratorio: el conocido yoduro de metilamonio y plomo, que contiene plomo, y un nuevo compuesto llamado yoduro de metilamonio y bismuto, que reemplaza al plomo con bismuto, un elemento mucho más seguro. El equipo no solo mezcló productos químicos; cultivaron cuidadosamente películas delgadas de estos materiales sobre placas de vidrio y luego las sometieron a una batería de pruebas para ver cómo estaban construidas y cómo interactuaban con la luz. Su objetivo era comprender si la versión de bismuto, más segura, podría igualar la calidad estructural y las capacidades de absorción de luz de la versión de plomo, o si se quedaría corta en aspectos que impedirían su uso en paneles solares del mundo real.

Los investigadores comenzaron sintetizando ambos materiales mediante un método de solución líquida, un proceso que consiste en disolver los ingredientes brutos en un disolvente y luego secarlos para formar una película sólida. Una vez creadas las películas, las examinaron bajo potentes microscopios para ver cómo lucían a una escala diminuta. Las imágenes revelaron que la película de bismuto libre de plomo era excepcionalmente lisa y densa, careciendo de los pequeños agujeros o brechas que a veces aparecen en la versión basada en plomo. Los cristales de bismuto también formaron estructuras ligeramente más grandes que sus contrapartes de plomo. Cuando el equipo observó la disposición interna de los átomos mediante difracción de rayos X, una técnica que revela la estructura cristalina, descubrieron que el material de bismuto era en realidad más ordenado y uniforme que el material de plomo. Este mayor grado de orden sugería que la película libre de plomo era de muy alta calidad, potencialmente incluso mejor en términos de su estructura física que la versión tradicional de plomo.

A continuación, el equipo centró su atención en cómo estos materiales manejaban la luz, que es el factor más crítico para una célula solar. Proyectaron luz a través de una amplia gama de colores, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, para ver cuánta luz se absorbía y cuánta pasaba a través de ellos. Los resultados mostraron que ambos materiales eran excelentes capturando la luz, pero lo hacían de formas ligeramente diferentes. El material basado en plomo absorbía la luz con mayor intensidad a una longitud de onda de 760 nanómetros, mientras que el material de bismuto alcanzó su máximo a 530 nanómetros. La versión de plomo era capaz de absorber un rango más amplio del espectro visible, lo cual es una ventaja clave para generar electricidad. Los investigadores también calcularon cómo viajaba la luz a través de los materiales y descubrieron que la película libre de plomo era más uniforme, con menos imperfecciones que pudieran dispersar la luz. Esta uniformidad, combinada con la superficie lisa observada en las imágenes del microscopio, indicaba que el material de bismuto tenía una estructura interna muy consistente.

Quizás el hallazgo más significativo se refería a la brecha de energía, o la cantidad específica de energía necesaria para liberar un electrón para que pueda transportar una corriente. El material basado en plomo tenía una brecha de energía de 1,65 electronvoltios, un valor que está muy cerca del ideal teórico para una célula solar de una sola capa. Este ajuste casi perfecto explica por qué las perovskitas basadas en plomo han tenido tanto éxito en la conversión de la luz solar en energía. En contraste, el material de bismuto libre de plomo tenía una brecha de energía más amplia de 2,23 electronvoltios. Si bien este valor sigue siendo útil, significa que el material absorbe una parte diferente del espectro solar y es menos eficiente en la captura de todo el rango de la luz solar en comparación con la versión de plomo. El estudio también observó cómo los materiales emitían luz tras absorberla, un proceso llamado fotoluminiscencia. El material de plomo brillaba a una longitud de onda de 760 nanómetros, mientras que el material de bismuto brillaba a 590 nanómetros, confirmando las diferencias en sus brechas de energía.

En última instancia, el estudio dibuja un panorama de dos materiales con distintas fortalezas. La perovskita de bismuto libre de plomo demostró ser estructuralmente superior en muchos aspectos, formando una película más lisa y uniforme con menos defectos que la versión de plomo. También está libre de la toxicidad que hace que el plomo sea tan peligroso. Sin embargo, el material basado en plomo conserva una ventaja crucial: su brecha de energía es más cercana al ideal para la energía solar, lo que le permite cosechar más energía de la luz solar. Los investigadores concluyeron que, si bien la opción libre de plomo es muy prometedora y ofrece mejores propiedades morfológicas, aún necesita una mayor optimización para igualar la eficiencia de su rival basado en plomo. El trabajo sugiere que el camino a seguir consiste en refinar estos materiales más seguros, quizás ajustando su composición, para acercar su rendimiento a los altos estándares establecidos por los cristales de plomo, que son altamente eficientes pero tóxicos.