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Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation

Este estudio demuestra la síntesis controlada de nanocristales de perovskita de Cs3Bi2I9 libres de plomo mediante un método de reprecipitación asistida por ligandos de flujo continuo, lo que resulta en películas delgadas con una brecha de banda de 1.8 eV y dispositivos fotovoltaicos que alcanzan una eficiencia de conversión de potencia del 0.5%.

Autores originales: Gufran Umar Alam Shaikh, Fatin Farisha Alia Azmi, Erra Natasha Rasul, Siti Naqiyah Sadikin, Jegadesan Subbiah, Akrajas Ali Umar, Suhaila Sepeai, Puvaneswaran Chelvanathan, Norasikin Ahmad Ludin, Mohd

Publicado 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Gufran Umar Alam Shaikh, Fatin Farisha Alia Azmi, Erra Natasha Rasul, Siti Naqiyah Sadikin, Jegadesan Subbiah, Akrajas Ali Umar, Suhaila Sepeai, Puvaneswaran Chelvanathan, Norasikin Ahmad Ludin, Mohd Sukor Su'ait

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La tecnología de la energía solar ha dependido durante mucho tiempo de una clase de materiales llamados perovskitas, que son cristales capaces de capturar la luz solar y convertirla en electricidad con una eficiencia notable. Las versiones tradicionales de estos materiales suelen contener plomo, un metal tóxico que plantea riesgos ambientales y de salud, lo que limita su uso generalizado. Los científicos han estado buscando una alternativa más segura que mantenga el alto rendimiento pero elimine el peligro. Un candidato prometedor es un compuesto hecho de bismuto, un metal común que se encuentra en todo, desde cosméticos hasta extintores de incendios, emparejado con yodo y cesio. Este material sin plomo, conocido como Cs3Bi2I9, es estable y no tóxico, pero ha sido difícil de fabricar de una manera que produzca películas de alta calidad adecuadas para celdas solares. El desafío radica en controlar cómo se forman los diminutos cristales; si crecen demasiado rápido o de manera desigual, la celda solar resultante no puede mover la electricidad de manera eficiente.

Investigadores del Instituto de Investigación de Energía Solar en Malasia se propusieron resolver este rompecabezas de fabricación cambiando la forma en que mezclan los ingredientes. En lugar de mezclar los productos químicos en un vaso de precipitados estándar y dejarlos reposar, utilizaron un reactor de flujo continuo, un sistema que empuja precursores líquidos a través de un canal estrecho donde se mezclan y reaccionan bajo condiciones precisas. El equipo se centró en una sola variable: la cantidad de tiempo que la mezcla pasa dentro de este canal, conocida como tiempo de residencia. Probaron tres duraciones diferentes para ver cómo la duración de la reacción influía en el cristal final. Al ajustar esta duración, pretendían guiar a los cristales para que crecieran más grandes, más uniformes y con menos fallas internas, los cuales son esenciales para capturar la luz y transportar la carga eléctrica.

Los resultados mostraron que el tiempo era, de hecho, el factor crítico. Cuando la mezcla fluía a través del reactor durante solo veinte segundos, los cristales resultantes eran pequeños, irregulares y estaban agrupados. Estos tiempos de reacción cortos no permitieron que los átomos tuvieran suficiente oportunidad de organizarse en una estructura ordenada. A medida que los investigadores aumentaban el tiempo a cuarenta segundos, los cristales comenzaban a mejorar, volviéndose más uniformes. Sin embargo, los mejores resultados se obtuvieron cuando se permitió que la mezcla fluyera durante sesenta segundos. A esta duración, los cristales crecieron en estructuras laminares bien definidas que eran significativamente más grandes y más perfectamente dispuestas que las hechas en tiempos más cortos. El equipo confirmó esto examinando el material bajo potentes microscopios y utilizando la difracción de rayos X, una técnica que revela el orden interno de un cristal. Las muestras de sesenta segundos mostraron el nivel más alto de orden estructural, con menos defectos que pudieran atrapar o perder la energía eléctrica.

Esta mejora estructural se tradujo directamente en un mejor rendimiento cuando el material se convirtió en una celda solar. Los investigadores construyeron pequeños dispositivos utilizando los cristales fabricados con diferentes tiempos, sándwichando estos entre capas de otros materiales para crear un camino para que la electricidad fluya. Las celdas hechas con los cristales de sesenta segundos funcionaron mejor, generando un voltaje de 0,73 voltios y una densidad de corriente de 5,9 × 10⁻² mA cm⁻². Si bien la eficiencia general de conversión de la luz solar en electricidad fue modesta, en un 0,50 por ciento, esto representó una mejora significativa respecto a las celdas hechas con el proceso más rápido de veinte segundos, que exhibieron una rápida disminución de la densidad de corriente al aumentar el voltaje. Este comportamiento reflejaba un transporte de carga deficiente y altas pérdidas por recombinación debido a una cristalización insuficiente y una alta densidad de defectos. Los dispositivos de sesenta segundos también mostraron un factor de llenado mucho más alto, una medida de qué tan eficazmente la celda entrega potencia, alcanzando el 77,6 por ciento. Esto indica que el crecimiento lento y controlado permitió que el material formara una película de alta calidad que podía mover la electricidad de manera mucho más fluida.

El estudio también analizó qué tan estables son estos nuevos cristales ante el calor. Utilizando análisis térmico, los investigadores encontraron que el material permanecía estable hasta aproximadamente 450 grados Celsius antes de comenzar a descomponerse. Esta alta estabilidad térmica es una gran ventaja sobre otros tipos de materiales solares que se degradan a temperaturas mucho más bajas, lo que sugiere que estos cristales a base de bismuto podrían soportar el calor generado durante la operación o fabricación normal. El equipo concluyó que controlar el tiempo que los productos químicos pasan reaccionando en un reactor de flujo es una forma poderosa de ajustar la calidad de los materiales solares sin plomo. Aunque las cifras de eficiencia aún no están listas para alimentar un hogar, el trabajo demuestra un camino claro a seguir: al ralentizar el proceso lo suficiente, los científicos pueden persuadir a estos cristales seguros y sin plomo para que formen las estructuras de alta calidad necesarias para la próxima generación de energía solar.

Resumen Técnico: Cristalización Controlada de Nanocristales de Perovskita de Cs3Bi2I9 Libre de Plomo mediante Re-precipitación Asistida por Ligandos en Flujo Continuo

Planteamiento del Problema
Si bien las células solares de perovskita (PSC) libres de plomo ofrecen una ruta prometedora para la fotovoltaica sostenible, la comercialización de alternativas basadas en bismuto (Bi), como el Cs3Bi2I9, se ve obstaculizada por desafíos en la calidad de los filmes y la reproducibilidad. Los métodos de síntesis por lotes tradicionales, como los que utilizan matraces de tres bocas, a menudo sufren de una reproducibilidad deficiente, condiciones de reacción irregulares durante la síntesis a gran escala y dificultades para controlar el crecimiento de los cristales y la uniformidad de las partículas. Además, las técnicas de síntesis existentes como la inyección en caliente requieren temperaturas elevadas y atmósferas inertes, mientras que la re-precipitación asistida por ligandos (LARP) estándar puede provocar la agregación de partículas y reducir los rendimientos. Existe una necesidad crítica de un método escalable y reproducible para optimizar la cristalización de Cs3Bi2I9 para mejorar las propiedades optoelectrónicas y el rendimiento fotovoltaico de los dispositivos resultantes.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque de re-precipitación asistida por ligandos (LARP) de flujo continuo utilizando un reactor de microchips para sintetizar nanocristales (NCs) de perovskita de Cs3Bi2I9. El proceso consistió en:

Preparación de Precursores: Se disolvieron yoduro de cesio (CsI) e yoduro de bismuto (BiI3) en un solvente mixto de DMF y DMSO (8:2 v/v).
Síntesis de Flujo Continuo: Dos soluciones precursoras fueron bombeadas hacia un reactor de microchip de etapa-I a 70 °C. Una solución de tolueno (solvente de precipitación) fue introducida en un reactor de etapa-II.
Parámetro Variable: El estudio varió sistemáticamente el tiempo de residencia ( $t_R$ ) dentro del reactor a 20, 40 y 60 segundos para observar su efecto en la cinética de cristalización.
Fabricación de Dispositivos: Los NCs sintetizados fueron procesados en filmes delgados e incorporados en células solares con la arquitectura: FTO/TiO2/Cs3Bi2I9/Spiro-OMeTAD/Ag.
Caracterización: Los materiales fueron analizados mediante difracción de rayos X (XRD), análisis térmico (DSC, TGA, DTG), microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM), espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDX) y espectroscopía UV-Vis. El rendimiento fotovoltaico se evaluó mediante mediciones de corriente-voltaje (I-V).

Contribuciones Clave
El artículo introduce la aplicación de la tecnología de microreactores de flujo continuo para la síntesis de perovskitas de Cs3Bi2I9 todas inorgánicas, investigando específicamente el papel del tiempo de residencia controlado en la regulación de la nucleación y el crecimiento de los cristales. El estudio proporciona un análisis comparativo de las propiedades estructurales, morfológicas y optoelectrónicas a través de diferentes tiempos de residencia, estableciendo una correlación directa entre los parámetros del reactor de flujo y el rendimiento del dispositivo.

Resultos

Estructura y Cristalinidad: El análisis XRD confirmó la formación de una fase hexagonal de Cs3Bi2I9 (grupo espacial P63/mmc) para todas las muestras. Sin embargo, el tiempo de residencia influyó significativamente en la cristalinidad. La muestra de 20 segundos exhibió picos anchos, alta micro-deformación y alta densidad de dislocaciones, indicativos de una cristalinidad deficiente. En contraste, la muestra de 60 segundos mostró los picos de difracción más agudos, el mayor tamaño de cristalita y la menor micro-deformación y densidad de dislocaciones, lo que significa un ordenamiento estructural superior.
Estabilidad Térmica: El análisis térmico (TGA/DSC) demostró que el Cs3Bi2I9 sintetizado posee una excelente estabilidad térmica hasta aproximadamente 450 °C, con una descomposición que ocurre en etapas de múltiples pasos por encima de esta temperatura, involucrando principalmente la volatilización de especies que contienen yodo.
Morfología y Composición: Las imágenes de FE-SEM revelaron que el aumento del tiempo de residencia de 20s a 60s transformó la morfología de partículas irregulares y aglomeradas a nanohojas homogéneas y bien definidas. El análisis EDX confirmó que la muestra de 60 segundos tenía una composición elemental más cercana a la estequiometría teórica del Cs3Bi2I9.
Propiedades Ópticas: La muestra de 60 segundos exhibió la mayor absorbancia en la región visible y la banda prohibida óptica más estrecha (1.90 eV), en comparación con los 2.16 eV de la muestra de 20 segundos. Esto sugiere una mejor deslocalización electrónica y una reducción de la densidad de estados trampa con tiempos de residencia más largos.
Rendimiento Fotovoltaico: Las células solares fabricadas con los NCs de 60 segundos de tiempo de residencia alcanzaron el mejor rendimiento. El dispositivo exhibió una eficiencia de conversión de potencia (PCE) de 0.50%, un voltaje de circuito abierto ( $V_{oc}$ ) de 0.73 V, una densidad de corriente de cortocircuito ( $J_{sc}$ ) de $5.9 \times 10^{-2}$ mA cm $^{-2}$ , y un factor de llenado (FF) de 77.6%. Este rendimiento fue superior al de los dispositivos hechos con las muestras de 20s y 40s, que sufrieron mayores pérdidas por recombinación y un transporte de carga deficiente debido a una calidad de filme inferior.

Significancia
Los autores afirman que controlar el tiempo de residencia en un reactor de flujo continuo es un factor crítico para ajustar las propiedades de los nanocristales de Cs3Bi2I9. El estudio demuestra que un tiempo de residencia de 60 segundos proporciona las condiciones óptimas para la cristalización, resultando en filmes de alta calidad con propiedades optoelectrónicas mejoradas. Este trabajo destaca el procesamiento de flujo continuo como una estrategia escalable y reproducible para la preparación de perovskitas de haluro de bismuto libres de plomo, ofreciendo una vía para mejorar el rendimiento de las futuras células solares de perovskita libres de plomo mediante la ingeniería precisa de filmes.

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