Una exploración por la física de las perovskitas, materiales con gran potencial de aplicación tecnológica

Uno de los campos más prometedores es el de la tecnología fotovoltaica. Prototipos de células solares elaboradas con este tipo de material exhibieron una eficiencia superior a la de las células comerciales a base de silicio

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Debido su potencial de aplicación, las perovskitas se han convertido en unos de los materiales más estudiados del momento. Un campo de aplicación especialmente prometedor es el de la tecnología fotovoltaica, cuyo enfoque lo constituyen los dispositivos capaces de convertir la energía luminosa en energía eléctrica eficientemente. La eficiencia de conversión de las perovskitas híbridas se ubica actualmente alrededor del 25,2 %, con lo cual superan la eficiencia de las células comerciales basadas en la tecnología de silicio.

Un ejemplo de perovskita híbrida es el yoduro de plomo y metilamonio (CH₃NH₃PbI₃). A este material se lo caracteriza como un “híbrido”, pues en su molécula los tres iones negativos, constituidos por yodo (I^-), equilibran a un ion positivo inorgánico, constituido por plomo (Pb²⁺), y un ion positivo orgánico, constituido por metilamonio (CH₃NH³⁺).

Al enfocarse precisamente en el yoduro de plomo y metilamonio, un estudio realizado en el Departamento de Física y Química de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), con sede en la localidad de Ilha Solteira, en Brasil, avanzó en la comprensión de la naturaleza ferroeléctrica y del origen de las propiedades fotovoltaicas excepcionales de las perovskitas. Y un artículo al respecto salió publicado en la revista Acta Materialia.

Este estudio forma parte de la investigación doctoral de Fernando Brondani Minussi, dirigida por Eudes Borges de Araújo, profesor titular de la Unesp. Y contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Materiales multiferroicos y ferroeléctricos para convertidores de energía. Síntesis, propiedades, fenomenología y aplicaciones”, coordinado por el profesor José Antonio Eiras, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), también en el estado de São Paulo, y que tiene a Borges de Araújo como su investigador principal.

“En este estudio investigamos de manera sistemática el efecto de la temperatura y de un campo eléctrico de corriente continua sobre las propiedades eléctricas, dieléctricas y espectroscópicas del yoduro de plomo y metilamonio. Y apuntamos a excluir otras interferencias para demostrar la firma característica del relajador ferroeléctrico en la perovskita estudiada”, dice Borges de Araújo.

En este punto cabe formular una explicación. Los relajadores ferroeléctricos son materiales cuya estructura queda fuertemente modificada en presencia de un campo eléctrico, a causa del desplazamiento de los iones en la red cristalina: los positivos en un sentido y los negativos en el sentido opuesto. Esto hace que exhiban una gran eficiencia en el almacenamiento y en la conversión de energía, toda vez que sus constantes dieléctricas son mucho mayores que las de los materiales ferroeléctricos comunes.

“Nuestros resultados indicaron la naturaleza relajadora ferroeléctrica del yoduro de plomo y metilamonio. Pero también pusieron en evidencia que existe una temperatura de congelación de los dipolos responsables del carácter relajador del material y una transición de fase difusa a altas temperaturas. Esta temperatura crítica, que afecta a la propiedad relajadora, ocurre a alrededor de 270 K [- 3,15 °C], es decir, algo por debajo del punto de congelación del agua”, comenta Borges de Araújo.

El investigador informa que el análisis de los resultados les permitió proponer un diagrama de fases inédito para el sistema constituido por yoduro de plomo y metilamonio, indicando áreas que delimitan la existencia de tres fases distintas: ferroeléctrica, ergódica y no ergódica.

“Los materiales ferroeléctricos exhiben naturalmente una polarización eléctrica espontánea que puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. Este orden ferroeléctrico se destruye a altas temperaturas y el material asume una fase paraeléctrica, es decir, no polarizada. Los relajadores clásicos exhiben una fase paraeléctrica a altas temperaturas, similar en diversos aspectos a la fase paraeléctrica de un ferroeléctrico normal. Al enfriar el material por debajo de un determinado nivel de temperatura, la llamada ‘temperatura de Burns’, surgen dentro de la matriz nanorregiones polares, con direcciones de momentos dipolares distribuidas aleatoriamente. Como estas áreas son sumamente dinámicas y no correlacionadas, decimos que el relajador se comporta de manera ergódica. Las nanorregiones polares interactúan y se congelan por debajo de otra temperatura determinada, para caracterizar el denominado estado no ergódico. Pero puede inducirse un estado ferroeléctrico con un relajador no ergódico mediante la aplicación de un campo eléctrico lo suficientemente fuerte”, explica Borges de Araújo.

En matemática, la ergodicidad expresa la idea de que el comportamiento promedio de un sistema puede deducirse con base en la trayectoria de un punto típico. El investigador hace la salvedad de que el término “ergódico” no se utiliza en el caso de esa manera estricta.

Borges de Araújo hace hincapié en que, pese a no exhibir el comportamiento esperable para un relajador clásico, el carácter relajador del yoduro de plomo y metilamonio sería una de sus características intrínsecas, posiblemente eclipsada por la conductividad iónica y por las características semiconductoras del material.

“En general, los relajadores ferroeléctricos poseen elevados valores de permisividad dieléctrica, excelentes propiedades electrocalóricas y electromecánicas, y la histéresis −es decir, la tendencia del sistema a conservar sus propiedades− solamente se suprime a temperaturas lo suficientemente altas. Desde el punto de vista tecnológico, estas características los convierten en fuertes candidatos para la producción de sensores acústicos, enfriadores de estado sólido, transductores y actuadores. Desde el punto de vista científico, el hecho de que los relajadores ferroeléctricos sigan siendo los materiales menos entendidos en la física de la materia condensada constituye un gran estímulo para la investigación”, resume Borges de Araújo.

Y el científico añade que los resultados originales y realmente significativos de este estudio poseen potencial como para promover cambios de paradigma en la comprensión de la naturaleza ferroeléctrica y del origen de las propiedades fotovoltaicas excepcionales de las perovskitas de haluros. “Pienso que este trabajo aporta avances sustanciales para la fundamentación de la física de este sistema complejo y fascinante”, dice.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Effects of frequency, temperature, and dc bias electric field on the dielectric properties of methylammonium lead iodide from the perspective of a relaxor-like ferroelectric en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645421006157?via%3Dihub.