Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

En el mundo de la energía solar, los científicos han buscado durante mucho tiempo materiales que puedan capturar la luz solar y convertirla en electricidad de manera más eficiente que los paneles de silicio actuales. Durante años, una familia de materiales conocidos como perovskitas ha mostrado una gran promesa, pero muchos de los mejores desempeños contienen plomo, un metal tóxico que plantea riesgos ambientales y de salud. Esto ha impulsado a los investigadores a buscar alternativas seguras y libres de plomo que posean la misma capacidad de conducir cargas eléctricas. Entre los candidatos más prometedores se encuentran los compuestos hechos con bismuto, un metal mucho menos tóxico. Sin embargo, el simple hecho de intercambiar el plomo por el bismuto cambia la forma en que el material se comporta. Para que estos nuevos materiales sean útiles, los científicos deben comprender exactamente cómo se mueve la electricidad a través de ellos, cómo absorben la luz y cómo están dispuestos sus estructuras cristalinas internas. El desafío radica en que estos materiales son complejos; su rendimiento depende en gran medida de los átomos específicos utilizados para construirlos y de cómo se fabrican las capas finas del material.

Un equipo de investigadores de universidades de Eslovenia y Macedonia del Norte se propuso investigar dos versiones específicas de estos materiales basados en bismuto. Se centraron en compuestos donde los átomos de bismuto y yodo están emparejados con metilamonio o formamidinio, que son pequeñas moléculas orgánicas que actúan como espaciadores estructurales dentro del cristal. Los investigadores crearon estos materiales en el laboratorio, primero cultivándolos como cristales sólidos y luego convirtiéndolos en películas muy finas y uniformes sobre portaobjetos de vidrio, un proceso esencial para convertirlos en células solares. Al examinar cuidadosamente estas películas, el equipo pretendía determinar sus propiedades ópticas, como cuánta energía se necesita para liberar un electrón, y su comportamiento eléctrico, específicamente qué tan fácilmente pueden moverse las cargas a través del material a diferentes temperaturas.

El equipo comenzó confirmando que habían creado con éxito las estructuras químicas correctas. Utilizando la difracción de rayos X, una técnica que revela la disposición de los átomos al hacer rebotar rayos X sobre una muestra, verificaron que los cristales formaban los patrones esperados. También observaron las películas bajo potentes microscopios para comprobar su calidad superficial. Las imágenes mostraron que ambos tipos de películas eran lisas y continuas, sin grandes huecos o grietas, lo cual es crucial para que un dispositivo funcione bien. Surgió una diferencia sutil: la película hecha con las moléculas de formamidinio parecía ligeramente más regular y ordenada en la superficie que la hecha con metilamonio, lo que sugiere que el tamaño y la forma de la molécula orgánica influyen en cómo el cristal se asienta durante la fabricación. El análisis químico confirmó que la relación de átomos de bismuto a yodo era exactamente la prevista, asegurando que los materiales fueran puros y estuvieran libres de impurezas no deseadas.

A continuación, los investigadores midieron cómo estas películas interactúan con la luz. Cuando la luz incide sobre un material, este puede absorberla si la luz lleva suficiente energía para empujar un electrón a un estado en el que pueda moverse y transportar una corriente. El equipo descubrió que ambos materiales absorben la luz muy bien, particularmente en las partes azul y verde del espectro visible, lo que otorga a las películas un color naranja o rojo oscuro distintivo. Al analizar los datos de absorción, calcularon la brecha de energía, que es la cantidad mínima de energía necesaria para liberar un electrón. Determinaron que la versión de metilamonio tiene una brecha de energía de 1.98 electronvoltios, mientras que la versión de formamidinium tiene una brecha ligeramente menor de 1.74 electronvoltios. Esta diferencia es significativa porque una brecha más pequeña permite al material cosechar una gama más amplia de luz solar. Los datos indicaron que ambos materiales se comportan como semiconductores indirectos, un tipo específico de comportamiento donde el movimiento de los electrones implica un cambio de momento, lo que hace que el proceso sea ligeramente más complejo que en los semiconductores directos.

Para entender cómo viaja realmente la electricidad a través de estas películas, el equipo realizó espectroscopia de impedancia, un método que mide cómo el material resiste el flujo de corriente eléctrica a través de un amplio rango de frecuencias y temperaturas. Observaron que, a medida que la temperatura aumentaba, la resistencia del material disminuía, un comportamiento típico de los semiconductores donde el calor ayuda a liberar portadores de carga. Las mediciones revelaron que el movimiento de la electricidad no es suave y continuo, sino que ocurre mediante un mecanismo de "salto". En este proceso, las cargas saltan de un lugar localizado a otro, superando pequeñas barreras de energía en el camino. Los investigadores calcularon que la energía requerida para estos saltos es de aproximadamente 0.5 electronvoltios para ambos materiales. Este valor es más alto de lo que se observa típicamente en las perovskitas basadas en plomo, lo que sugiere que, si bien los materiales de bismuto son más seguros, actualmente mueven las cargas más lentamente.

El estudio también reveló detalles sobre de dónde proviene la resistencia dentro del material. Las señales eléctricas indicaron que los límites entre los diminutos cristales, o granos, que componen la película son más resistivos que los granos mismos. Esto significa que el camino de menor resistencia suele estar bloqueado por las interfaces donde estos cristales se encuentran. Además, la relajación de las cargas eléctricas, o qué tan rápido responden a un campo cambiante, no siguió un patrón simple y uniforme. En su lugar, las cargas exhibieron una dispersión de tiempos de respuesta, lo que indica un entorno interno complejo con muchos tipos diferentes de obstáculos. A pesar de estos obstáculos, los investigadores confirmaron que los materiales poseen las propiedades fundamentales necesarias para dispositivos optoelectrónicos. Concluyeron que, aunque las películas basadas en bismuto aún no son tan eficientes como sus contrapartes basadas en plomo, su estabilidad y baja toxicidad las convierten en fuertes candidatas para el desarrollo futuro, especialmente si los científicos logran encontrar formas de mejorar las conexiones entre los cristales para permitir que la electricidad fluya más libremente.