Nuevo instrumento del acelerador brasileño Sirius permite observar células solares en funcionamiento

Científicos del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), ubicado en Campinas, en el estado de São Paulo, Brasil, desarrollaron un instrumento para el acelerador de partículas Sirius capaz de observar el interior de células solares a escala nanométrica mientras se encuentran en pleno funcionamiento. En lugar de analizar componentes aislados en el laboratorio, la nueva plataforma permite evaluar dispositivos completos mientras generan electricidad en condiciones reales de operación, simulando la exposición cotidiana a la luz, el calor y la humedad.

Para hacerlo posible, el equipo creó un sistema de alta estabilidad mecánica que impide que las muestras se desplacen fuera del foco de los rayos X, incluso ante variaciones intensas de temperatura. Comprender cómo reaccionan la estructura atómica y la composición química de estos materiales ante las condiciones ambientales es fundamental para investigar las causas de su degradación. La tecnología servirá como una herramienta crucial para optimizar tecnologías fotovoltaicas emergentes, como las células de perovskita, abriendo el camino al desarrollo de fuentes de energía solar más económicas, eficientes y duraderas.

“Buscamos reproducir las condiciones normales de funcionamiento de una célula solar y utilizar las técnicas disponibles en el acelerador Sirius para observar lo que ocurre en el material”, explica Rodrigo Szostak, investigador del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS-CNPEM) y primer autor del estudio publicado en agosto en la revista Photon Science.

El trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante una beca posdoctoral otorgada a Szostak.

Como explica el investigador, los rayos X presentan una ventaja importante en este tipo de investigaciones: gracias a su capacidad de penetración, permiten examinar las distintas capas del dispositivo con una preparación mínima de la muestra, lo que reduce el riesgo de que el propio procedimiento experimental modifique aquello que se pretende observar.

La plataforma fue concebida principalmente para estudiar células solares de perovskita, una tecnología que ha avanzado rápidamente en los últimos años debido a la elevada eficiencia alcanzada por estos materiales y a la posibilidad de fabricarlos mediante procesos relativamente sencillos, a bajas temperaturas y sin necesidad de utilizar vacío.

Szostak sigue esta evolución desde el inicio de su carrera. Fue él quien realizó uno de los primeros estudios sobre células solares de perovskita en Brasil. “Estas células cuentan con apenas 15 o 20 años de desarrollo, pero ya hay empresas que están comenzando a lanzar productos comerciales basados en ellas. Al mismo tiempo, siguen existiendo numerosas preguntas sin respuesta y el ámbito académico continúa investigando para comprender lo que ocurre”, afirma.

Entre estas preguntas, una de las más importantes se refiere a la estabilidad. Durante el funcionamiento de una célula solar, el material no permanece estático. La luz, el calor, la humedad y la propia tensión eléctrica pueden provocar cambios en su estructura y composición. Algunos son reversibles, mientras que otros pueden contribuir a la degradación del dispositivo.

“Una célula solar experimenta variaciones de temperatura todos los días. Como se dice en la jerga del sector, está sometida a ‘ciclos’. Por eso queremos comprender el efecto de estos ciclos, así como el de la iluminación y la humedad, sobre su rendimiento”, señala el investigador.

La principal característica distintiva de la plataforma es que permite correlacionar estas variables macroscópicas con lo que ocurre a escalas mucho menores. “Podemos medir la eficiencia del dispositivo variando la temperatura y la humedad y, al mismo tiempo, utilizar las técnicas de rayos X para observar la composición química, la forma física [morfología], la estructura atómica e incluso la estructura electrónica”, destaca Szostak.

Para ello, fue necesario desarrollar no solo un soporte estable para la muestra, sino también un pequeño entorno experimental en el que la célula pudiera calentarse, iluminarse, exponerse a diferentes atmósferas y conectarse eléctricamente.

Una de las dificultades más importantes estaba relacionada con la temperatura. Para observar microscópicamente las transformaciones provocadas por el calentamiento, era necesario examinar repetidamente la misma región de la célula. Sin embargo, esta exposición reiterada a los rayos X puede calentar, dilatar y desplazar el dispositivo. Y, a las dimensiones en las que se realiza el experimento, un desplazamiento casi imperceptible es suficiente para que la región seleccionada quede fuera del campo de observación.

“Como trabajamos con un haz de unos 200 nanómetros (cientos de veces más delgado que un cabello humano), necesitamos que la muestra permanezca inmóvil”, explica Szostak. “Nuestro equipo de ingeniería trabajó con nosotros para desarrollar una manera de sujetar la muestra y absorber esa dilatación.”

Calentar sin perder el objetivo

La solución comenzó con el desarrollo de un pequeño chip sobre el cual se construye la propia célula solar. El sustrato consiste en un vidrio recubierto, por uno de sus lados, con óxido de indio y estaño (en inglés, indium tin oxide, de donde proviene la sigla ITO). Este material sirve como una base transparente y conductora de electricidad, sobre la cual se construye la célula solar (la perovskita). En el otro lado del vidrio se depositaron dos circuitos extremadamente delgados de platino: uno funciona como calentador y el otro como sensor de temperatura. El paso de corriente por el primero produce calor, mientras que la resistencia eléctrica del segundo permite determinar con precisión la temperatura de la muestra.

“El sistema concentra el calentamiento en un área de apenas 3 por 3 milímetros. Cuanto menor es la región calentada, menor tiende a ser la expansión térmica del conjunto experimental. Las pruebas realizadas con una cámara infrarroja demostraron que la temperatura en esta pequeña área es bastante uniforme: a 150 °C, la variación relativa fue de apenas 0,85 °C”, informa Szostak.

El propio soporte también requirió soluciones de ingeniería de precisión. La estructura utiliza una aleación de titanio de baja expansión térmica y elementos flexibles que permiten que el vidrio se dilate sin acumular tensiones capaces de romperlo y, al mismo tiempo, mantienen la célula firmemente posicionada. Además, el sistema fue desacoplado térmicamente de las estructuras responsables del movimiento de la muestra, lo que reduce la transmisión de calor y, por consiguiente, los desplazamientos no deseados.

“Esta es una de las innovaciones del trabajo. Hemos logrado una excelente estabilidad de posición. Realicé una revisión de la literatura y, hasta donde sabemos, probablemente nuestro soporte presenta la mejor estabilidad posicional obtenida hasta ahora para este tipo de experimento”, afirma el investigador.

En las pruebas realizadas en Sirius, la muestra fue sometida repetidamente a temperaturas de 30 °C y 150 °C durante aproximadamente 20 horas. A lo largo de esta variación de 120 °C, el desplazamiento vertical fue de apenas unos 5 micrómetros y el horizontal, de alrededor de 1 micrómetro. Más importante aún, estos desplazamientos resultaron reproducibles y reversibles: cuando la temperatura regresaba a su valor inicial, la muestra volvía prácticamente a su posición anterior.

Después de la estabilización térmica, el movimiento residual se volvió lo suficientemente pequeño como para no provocar distorsiones relevantes en las imágenes obtenidas durante los barridos. El control térmico también demostró ser rápido y preciso. La temperatura programada se alcanza en menos de dos minutos y, al mantenerse en 150 °C, permaneció estable durante 50 minutos, generalmente con oscilaciones inferiores a 0,1 °C. El chip basado en ITO puede utilizarse a temperaturas de hasta 150 °C. En experimentos que no requieren un sustrato conductor, el sistema puede alcanzar los 300 °C.

Luz, calor y humedad

Sin embargo, la temperatura es apenas una de las variables controladas. El dispositivo también cuenta con una pequeña cámara cerrada en la que es posible hacer circular gases y monitorear la humedad en la entrada y la salida. De esta manera, pueden simularse diferentes condiciones atmosféricas e investigarse, por ejemplo, el papel de la humedad en la degradación de las perovskitas.

“Otro componente esencial es la iluminación. Para estudiar una célula solar en funcionamiento es necesario iluminarla mientras los rayos X realizan las mediciones. Una lámpara de xenón reproduciría mejor todos los colores y las características de la luz solar [el espectro solar], pero sería demasiado grande para el espacio disponible en la estación experimental. Por eso optamos por un LED blanco de banda ancha, elegido porque presentaba, entre los LED evaluados, la distribución espectral más cercana a la luz solar y cubría el intervalo de longitudes de onda absorbidas por la célula de perovskita”, explica Szostak.

No obstante, la cuestión de la iluminación todavía no está completamente resuelta. Cuando se coloca directamente frente a la célula, el LED puede proporcionar una irradiancia equivalente a la del Sol, de aproximadamente 100 milivatios por centímetro cuadrado. Sin embargo, esta posición bloquea algunas geometrías de transmisión de los rayos X. En la configuración lateral necesaria para dejar libre el paso del haz, la intensidad que llega a la célula corresponde actualmente a aproximadamente el 30 % de la radiación solar de referencia. El perfeccionamiento de este sistema figura entre los próximos pasos del proyecto.

La célula bajo los rayos X

Con este dispositivo, los investigadores realizaron la demostración experimental presentada en el artículo. Se construyó una célula completa de perovskita sobre el chip y se la sometió tanto a una caracterización eléctrica convencional como a diferentes análisis con rayos X. Fue posible obtener sus curvas de corriente y tensión y observar su respuesta cuando se encendía y apagaba la iluminación.

Todo el procedimiento fue posible gracias a las características de la línea de luz Carnaúba, una de las 12 líneas de luz ya instaladas en el acelerador Sirius. Esta fue diseñada para realizar análisis mediante un haz de rayos X extremadamente focalizado. “El dispositivo funciona como si fuera un microscopio multitécnica. Contamos con un haz de rayos X muy estrecho que permite observar la estructura electrónica, la estructura atómica y la composición química de los materiales, con alta resolución, en dos o tres dimensiones”, describe Szostak.

En la estación Tarumã, que forma parte de la línea de luz Carnaúba y donde se instaló el dispositivo, distintas técnicas proporcionan información complementaria. La difracción de rayos X permite investigar la estructura cristalina; la fluorescencia de rayos X permite mapear la distribución de los elementos químicos; y la espectroscopía de absorción de rayos X proporciona información sobre el estado químico de los elementos, las distancias de enlace y los entornos de coordinación. La estación también permite realizar análisis de luminiscencia óptica excitada por rayos X y aplicar otras técnicas, algunas de las cuales aún se encuentran en fase de implementación.

“Básicamente, la línea de luz Carnaúba es un microscopio superpotente con el que podemos observar la materia de muchas maneras diferentes”, resume el investigador. “Y su campo de aplicación es mucho más amplio que el de las células solares: incluye baterías, plantas, semillas, materiales biológicos e incluso muestras paleontológicas”.

En el experimento con la célula de perovskita, la fluorescencia de rayos X permitió obtener mapas de la distribución de yodo y plomo en el dispositivo. Por su parte, la difracción permitió visualizar individualmente granos de perovskita de aproximadamente 2 micrómetros de diámetro y obtener información sobre su orientación espacial y la distancia exacta entre los átomos de su estructura (los parámetros de la red cristalina). Estos parámetros son particularmente importantes porque permiten estimar las deformaciones del material, relacionadas con propiedades como la estructura electrónica, la migración de iones, la formación de defectos y la estabilidad.

Como demostración de esta capacidad, los investigadores mapearon la estructura cristalina de la perovskita a 40 °C y repitieron la medición después de elevar la temperatura a 65 °C. Fue posible observar directamente el aumento esperado del parámetro de red, es decir, de la dimensión característica de la estructura cristalina. De este modo, la secuencia de mapas mostró no solo la estructura microscópica de la célula, sino también su transformación en respuesta a una variable externa controlada.

“Precisamente en esta combinación reside el principal potencial de la plataforma. Una misma región de la célula podrá someterse a ciclos de calentamiento, iluminación, humedad o tensión eléctrica, mientras distintas técnicas permiten observar, simultáneamente o de manera secuencial, lo que ocurre con su composición química, estructura cristalina y rendimiento. De esta forma, será posible buscar relaciones espaciales y temporales entre una alteración microscópica y la pérdida —o eventualmente la mejora— de la capacidad de convertir la luz en electricidad”, señala el investigador.

El equipo ya ha dejado de ser solamente un prototipo experimental. Fue desarrollado durante el proyecto de Szostak, pero ahora es un equipo multiusuario disponible para la comunidad científica. Y ya se están llevando a cabo diversos experimentos. Aunque fue optimizado para células solares de perovskita, su uso no se limita a ellas. La plataforma también puede emplearse para estudiar células solares orgánicas, células sensibilizadas por colorantes en estado sólido, células de puntos cuánticos, diodos emisores de luz (LED) y otros dispositivos construidos sobre sustratos compatibles. “En principio, puede investigarse cualquier dispositivo o material que pueda depositarse sobre el vidrio y que se desee estudiar bajo condiciones de calentamiento”, afirma el investigador.

El artículo Visualizing solar cells at work: An in situ sample holder for multimodal x-ray nanoscopy under realistic operating conditions puede consultarse en: pubs.acs.org/psabes/article/doi/10.1021/photonsci.6c00013/5250982.