Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Durante la última media centuria, los científicos han estado buscando una mejor manera de capturar la energía del sol. Si bien los paneles solares tradicionales hechos de silicio nos han servido bien, los investigadores buscan constantemente materiales que sean más baratos de fabricar, más fáciles de producir y capaces de convertir la luz solar en electricidad de manera más eficiente. Una familia prometedora de materiales para este trabajo se llama perovskitas. Estas son cristales con una estructura específica y repetitiva que pueden ajustarse para absorber la luz de manera muy efectiva. Sin embargo, las perovskitas más famosas utilizadas hoy en día contienen plomo, un metal tóxico que plantea riesgos para la salud y el medio ambiente, y que a menudo se degradan al exponerse a la humedad o al calor. Para resolver esto, los científicos están explorando un tipo diferente de perovskita hecha de elementos que son abundantes y no tóxicos, buscando específicamente compuestos que mezclen oxígeno con azufre. El objetivo es encontrar un material que sea estable, seguro y que tenga la capacidad justa de absorber la luz para alimentar la próxima generación de celdas solares.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Autónoma de Zacatecas en México se propusstedieron a crear y probar uno de estos nuevos materiales, un cristal llamado oxisulfuro de bario y titanio. Comenzaron con un polvo común y estable conocido como óxido de bario y titanio y lo sometieron a un tratamiento de alta temperatura en un horno especial. En lugar de solo calentar el polvo, introdujeron un vapor de disulfuro de carbono, un químico que actúa como fuente de azufre. Al calentar la mezcla a tres temperaturas diferentes —600, 700 y 800 grados Celsius— pretendían reemplazar algunos de los átomos de oxígeno en el cristal con átomos de azufre. Los investigadores querían ver cómo el cambio de calor alteraba la estructura interna del material y su capacidad para absorber la luz, con la esperanza de encontrar el equilibrio perfecto para aplicaciones de energía solar.

Los resultados mostraron que la temperatura fue la clave para controlar la composición del material. A medida que el calor aumentaba, la cantidad de azufre en el cristal final crecía significamente. A la temperatura más baja de 600 grados Celsius, el material contenía aproximadamente un 14.6 por ciento de azufre por masa. Cuando la temperatura se elevó a 700 grados, el contenido de azufre aumentó a 18.2 por ciento, y a la temperatura más alta de 800 grados, alcanzó el 20.2 por ciento. Este cambio no fue solo una cuestión de añadir más azufre; cambió fundamentalmente la forma del cristal mismo. El material de partida tenía una estructura tetragonal, que es un arreglo geomético específico de átomos. A medida que más azufre reemplazaba al oxígeno, el cristal se transformaba lentamente en una estructura hexagonal, una forma geométrica diferente que es más estable para este tipo de compuesto. Las muestras tratadas a las temperaturas más altas fueron las más exitosas, mostrando una estructura hexagonal limpia y bien ordenada sin rastros de la forma original.

Más allá de solo cambiar la forma, el tratamiento térmico mejoró la calidad de los cristales. Los investigadores midieron el tamaño de los diminutos cristales individuales, conocidos como cristalitos, y encontraron que crecían más grandes a medida que la temperatura aumentaba. La muestra fabricada a 600 grados tenía cristales más pequeños y menos organizados, mientras que la de 800 grados tenía cristales más grandes y perfectamente formados. Esto sugiere que el calor más alto ayuda a que los átomos se organicen más ordenadamente, reduciendo el estrés interno y creando un material más fuerte y uniforme. El equipo también analizó los enlaces químicos dentro del material utilizando técnicas basadas en la luz y confirmó que los átomos de azufre y oxígeno se integraron con éxito en la red cristalina, formando los enlaces moleculares específicos que buscaban.

El descubrimiento más crítico, sin embargo, concernió a cómo el material interactúa con la luz. Para que una celda solar funcione eficientemente, el material del que está hecha debe tener un "band gap" (brecha de banda), que es la cantidad específica de energía requerida para desprender un electrón y crear una corriente eléctrica. Si este espacio es demasiado ancho, el material pierde gran parte de la energía del sol; si es demasiado estrecho, desperdicia energía en forma de calor. El rango ideal para las celdas solares es una ventana estrecha entre 1.1 y 1.7 electron voltios. Los investigadores encontraron que, simplemente aumentando la temperatura y el contenido de azufre, podían sintonizar precisamente este band gap. El material fabricado a 600 grados tenía un band gap de 1.53 electron voltios. A medida que aumentaban el calor a 700 y luego a 800 grados, el band gap se estrechaba a 1.51 y finalmente a 1.47 electron voltios. Este valor final se sitúa directamente en el rango óptimo para la conversión de energía solar.

Este estudio demuestra que es posible diseñar un nuevo material solar no tóxico controlando cuidadosamente la temperatura durante la síntesis. Los investigadores demostraron que podían transformar un óxido común en una perovskita rica en azufre con una estructura cristalina y propiedades de absorción de luz que son altamente adecuadas para las celdas solares. Aunque el material no es todavía un producto terminado listo para una línea de fábrica, el trabajo proporciona una hoja de ruta clara sobre cómo crear estos cristales. Al mostrar que las temperaturas más altas conducen a más azufre, un mejor orden cristalino y un band gap perfectamente sintonizado para capturar la luz solar, el estudio ofrece un camino viable para el desarrollo de la próxima generación de tecnología de energía solar limpia, eficiente y segura.