Diferencia entre revisiones de «Perovskita (estructura)»
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[[Archivo:Perovskite.jpg|thumb|Estructura de una perovskita de fórmula química ABX<sub>3</sub>. |
[[Archivo:Perovskite.jpg|thumb|Estructura de una perovskita de fórmula química ABX<sub>3</sub>. Las esferas rojas son átomos X (normalmente oxígenos), las esferas azules son átomos B (un catión metálico más pequeño, como Ti<sup>4+</sup>), y las esferas verdes son átomos A (un catión metálico más grande, como Ca<sup>2+</sup>). En la imagen se muestra la [[sistema cúbico|estructura cúbica]] no distorsionada; la simetría se reduce a [[ortorrómbico]], [[tetragonal]] o [[trigonal]] en muchas perovskitas.<ref>{{cite journal| title = Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures| author = A. Navrotsky| journal = Chem. Mater.| date = 1998|volume = 10| issue = 10|page =2787| doi =10.1021/cm9801901}}</ref>]] |
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[[Archivo:Perovskite mineral specimen.jpg|thumb|Un mineral de perovskita (titanato de calcio) de [[Kusa (Rusia)|Kusa]]. Tomado en el [[Harvard Museum of Natural History]].]] |
[[Archivo:Perovskite mineral specimen.jpg|thumb|Un mineral de perovskita (titanato de calcio) de [[Kusa (Rusia)|Kusa]]. Tomado en el [[Harvard Museum of Natural History]].]] |
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Una '''perovskita''' es cualquier material |
Una '''perovskita''' es cualquier material que tenga el mismo tipo de [[estructura cristalina]] que el [[titanato de calcio]] (CaTiO<sub>3</sub>), conocida como ''estructura de perovskita'', o <sup>XII</sup>A<sup>2+</sup><sup>VI</sup>B<sup>4+</sup>X<sup>2−</sup><sub>3</sub> con el oxígeno dispuesto en los [[Sistema cristalino cúbico|centros de las caras]].<ref name="Min">{{cite book |title=Minerals: Their Constitution and Origin |first1=Hans-Rudolf |last1=Wenk |first2=Andrei |last2=Bulakh |publisher=[[Cambridge University Press]] |date=2004 |isbn=978-0-521-52958-7 |location=New York, NY}}</ref> |
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The relative ion size requirements for stability of the cubic structure are quite stringent, so slight buckling and distortion can produce several lower-symmetry distorted versions, in which the coordination numbers of A cations, B cations or both are reduced. |
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Los compuestos naturales con esta estructura son la [[perovskita]], la [[loparita]] y la [[bridgmanita]] de [[perovskita de silicato]].<ref name="Min"/><ref name=Mindat>[http://www.mindat.org/min-45900.html Bridgemanite on [[Mindat.org]]]</ref> |
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{{enobras}} |
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==Estructura== |
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Las perovskitas toman su nombre del mineral homónimo, [[perovskita]], que fue descubierto por primera vez en 1839 en los [[montes Urales]] por Gustav Rose y que se nombró en reconocimiento del mineralogista ruso [[Lev Perovski|L. A. Perovski]] (1792–1856). La fórmula química general de los compuestos de perovskita es ABX<sub>3</sub>, donde 'A' y 'B' son dos [[catión|cationes]] de tamaños muy diferentes y 'X' es un [[anión]] unido a ambos. Los átomos 'A' son más grandes que los átomos 'B'. La estructura de simetría cúbica ideal tiene el catión 'B' en coordinación 6 veces, rodeado por un octaedro de aniones, y el catión 'A' en coordinación [[Cuboctaedro|cuboctaédrica]] de 12 veces. Los requerimientos de tamaños relativos de los iones para que la estructura cúbica sea estable son bastante rigurosos, por lo que un ligero abombamiento y/o distorsión pueden producir varias versiones distorsionadas con simetrías inferiores, en las que se reducen los números de coordinación de los cationes 'A', de los cationes 'B' o de ambos. |
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In the idealized cubic [[unit cell]] of such a compound, type 'A' atom sits at cube corner positions (0, 0, 0), type 'B' atom sits at body centre position (1/2, 1/2, 1/2) and oxygen atoms sit at face centred positions (1/2, 1/2, 0). (The diagram shows edges for an equivalent unit cell with A in body centre, B at the corners, and O in mid-edge). |
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Los compuestos naturales con esta estructura son la [[perovskita]], la [[loparita]] y la [[bridgmanita]] de [[perovskita de silicato]].<ref name="Min"/><ref name=Mindat>[http://www.mindat.org/min-45900.html Bridgemanite on [[Mindat.org]]]</ref> |
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==Estructura== |
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[[Archivo:Perovskite ABO3.jpg|thumb|estructura de perovskita de óxidos ABO<sub>3</sub>]] |
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La estructura de perovskita es adoptada por muchos [[óxido]]s que tienen la fórmula química ABO<sub>3</sub>. |
La estructura de perovskita es adoptada por muchos [[óxido]]s que tienen la fórmula química ABO<sub>3</sub>. |
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En la [[celda unitaria]] cúbica idealizada de tal compuesto, el átomo del tipo 'A' se sitúa en las posiciones de esquina del cubo (0, 0, 0), el átomo del tipo 'B' se sitúa en la posición central del cuerpo ( |
En la [[celda unitaria]] cúbica idealizada de tal compuesto, el átomo del tipo 'A' se sitúa en las posiciones de esquina del cubo (0, 0, 0), el átomo del tipo 'B' se sitúa en la posición central del cuerpo (½, ½, ½) y los átomos de oxígeno se sitúan en las posiciones centradas en la cara (1/2, 1/2, 0). (El diagrama muestra los bordes de una celda unitaria equivalente con A en el centro del cuerpo, B en las esquinas y O en el borde medio). |
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Los |
Los requerimientos de tamaños relativos de los iones para la estabilidad de la estructura cúbica son bastante rigurosos, por lo que un ligero abollamiento y distorsión puede producir varias versiones distorsionadas con simetría inferior, en las que se reducen los números de coordinación de los cationes A, de los cationes B o de ambos. La inclinación del octaedro BO<sub>6</sub> reduce la coordinación de un catión A desde 12 hasta 8. A la inversa, el descentrado de un catión más pequeño B en su octaedro le permite alcanzar un patrón de enlace estable. El dipolo eléctrico resultante es responsable de la propiedad de la [[ferroelectricidad]] y se muestra en perovskitas tales como el BaTiO<sub>3</sub> que distorsionan de esta manera. |
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Las fases [[ortorrómbica]] y [[tetragonal]] son las variantes no cúbicas más comunes. |
Las fases [[sistema cristalino ortorrómbico|ortorrómbica]] y [[sistema cristalino tetragonal|tetragonal]] son las variantes no cúbicas más comunes. |
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Las estructuras de perovskita complejas tienen dos cationes |
Las estructuras de perovskita complejas tienen dos cationes 'B' diferentes. Esto da lugar a la posibilidad de variantes ordenadas y desordenadas. |
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The relative ion size requirements for stability of the cubic structure are quite stringent, so slight buckling and distortion can produce several lower-symmetry distorted versions, in which the coordination numbers of A cations, B cations or both are reduced. Tilting of the BO<sub>6</sub> octahedra reduces the coordination of an undersized A cation from 12 to as low as 8. Conversely, off-centering of an undersized B cation within its octahedron allows it to attain a stable bonding pattern. The resulting electric dipole is responsible for the property of [[ferroelectricity]] and shown by perovskites such as BaTiO<sub>3</sub> that distort in this fashion. |
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Complex perovskite structures contain two different B-site cations. This results in the possibility of ordered and disordered variants. |
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== Ocurrencias más frecuentes == |
== Ocurrencias más frecuentes == |
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El mineral más común en la Tierra es la [[bridgmanita]], un silicato rico en magnesio que adopta la estructura de perovskita a alta presión. En los minerales que contienen sílice dominante, a medida que aumenta la presión, las unidades tetraédricas de SiO<sub>4</sub><sup>4−</sup> se vuelven inestables en comparación con las unidades octaédricas de SiO<sub>6</sub><sup>8−</sup>. En las condiciones de presión y temperatura del manto inferior, el material más abundante es un mineral de estructura de perovskita de fórmula (Mg,Fe)SiO<sub>3</sub>, siendo el segundo material más abundante un óxido de estructura similar a la halita (Mg, Fe)O, [[periclasa]].<ref name="Min"/> |
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En las condiciones de alta presión del [[manto inferior]] de la Tierra, la [[enstatita]] de [[piroxeno]], MgSiO<sub>3</sub>, se transforma en un [[Polimorfismo (ciencia de materiales)|polimorfo]] más denso con estructura de perovskita; esta fase puede ser el mineral más común en la Tierra.<ref>{{Cite book|title=[[QI]]: The Book of General Ignorance|last=John Lloyd|authorlink=John Lloyd (producer)|author2=John Mitchinson|author2-link=John Mitchinson (researcher) |chapter=What's the commonest material in the world|isbn=0-571-23368-6|publisher=Faber & Faber}}</ref> Esta fase tiene la estructura de perovskita ortorrómbicamente distorsionada (estructura de tipo GdFeO<sub>3</sub>) que es estable a presiones de ~24 GPa a ~110 GPa. Sin embargo, no puede ser transportado desde las profundidades de varios cientos de kilómetros hasta la superficie de la Tierra sin transformarse de nuevo en materiales menos densos. A mayores presiones, la perovskita de MgSiO<sub>3</sub> se transforma en [[post-perovskita]]. |
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El mineral más común en la Tierra es la bridgmanita, un silicato rico en magnesio que adopta la estructura de perovskita a alta presión. A medida que aumenta la presión, las unidades 4 - tetraédricas de SiO<sub>4</sub><sup>4−</sup> en los minerales dominantes que contienen sílice se vuelven inestables en comparación con las unidades octaédricas de SiO<sub>6</sub><sup>8−</sup>. A las condiciones de presión y temperatura del manto inferior, el material más abundante es un mineral de estructura de perovskita de fórmula (Mg,Fe)SiO<sub>3</sub>, siendo el segundo material más abundante el óxido de estructura estructural (Mg, Fe) O , [[periclasa]] .<ref name="Min"/> |
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Otro mineral muy frecuente en el manto, y recientemente hallado en el interior de un diameante, es la perovskita de CaSiO<sub>3</sub>. |
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En las condiciones de alta presión del manto inferior de la Tierra, la [[enstatita]] de [[piroxeno]] , MgSiO<sub>3</sub>, se transforma en un polimorfo estructurado con perovskita más denso; esta fase puede ser el mineral más común en la Tierra.<ref>{{Cite book|title=[[QI]]: The Book of General Ignorance|last=John Lloyd|authorlink=John Lloyd (producer)|author2=John Mitchinson|author2-link=John Mitchinson (researcher) |chapter=What's the commonest material in the world|isbn=0-571-23368-6|publisher=Faber & Faber}}</ref> Esta fase tiene la estructura de perovskita ortórbidamente distorsionada (estructura de tipo GdFeO<sub>3</sub>) que es estable a presiones de ~24 GPa a ~110 GPa. Sin embargo, no puede ser transportado desde profundidades de varios cientos de kilómetros a la superficie de la Tierra sin transformarse de nuevo en materiales menos densos. A mayores presiones, la perovskita de MgSiO<sub>3</sub> se transforma en [[post-perovskita]]. |
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<ref>F. Nestola, N. Korolev, M. Kopylova, N. Rotiroti, D. G. Pearson, M. G. Pamato, M. Alvaro, L. Peruzzo, J. J. Gurney, A. E. Moore, J. Davidson. CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle. Nature, 2018; 555 (7695): 237.</ref> |
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Aunque los compuestos de perovskita más comunes contienen oxígeno, hay algunos que se forman sin oxígeno |
Aunque los compuestos de perovskita más comunes contienen oxígeno, hay algunos que se forman sin oxígeno, siendo bien conocidas las perovskitas de flúor, como NaMgF<sub>3</sub>. Una gran familia de compuestos de perovskitas metálicas puede representarse mediante RT<sub>3</sub>M (siendo R= tierra rara u otro ión relativamente grande; T= ión de metal de transición; y M= metaloides ligeros). Los metaloides ocupan los sitios 'B' coordinados octaédricamente en estos compuestos. RPd<sub>3</sub>B, RRh<sub>3</sub>B y CeRu<sub>3</sub>C son ejemplos. El MgCNi<sub>3</sub> es un compuesto de perovskita metálico y ha recibido mucha atención debido a sus propiedades superconductoras. Un tipo aún más exótico de perovskita está representado por los óxidos auricos mixtos de Cs y Rb, como el Cs<sub>3</sub>AuO, que tienen grandes cationes de álcali en los sitios tradicionales de los "aniones", enlazados a los aniones O<sup>2−</sup> y Au<sup>−</sup>. |
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== Propiedades materiales == |
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At the high pressure conditions of the Earth's [[mantle (geology)|lower mantle]], the [[pyroxene]] [[enstatite]], MgSiO<sub>3</sub>, transforms into a denser perovskite-structured [[polymorphism (materials science)|polymorph]]; this phase may be the most common mineral in the Earth.<ref>{{Cite book|title=[[QI]]: The Book of General Ignorance|last=John Lloyd|authorlink=John Lloyd (producer)|author2=John Mitchinson|author2-link=John Mitchinson (researcher) |chapter=What's the commonest material in the world|isbn=0-571-23368-6|publisher=Faber & Faber}}</ref> This phase has the orthorhombically distorted perovskite structure (GdFeO<sub>3</sub>-type structure) that is stable at pressures from ~24 GPa to ~110 GPa. However, it cannot be transported from depths of several hundred km to the Earth's surface without transforming back into less dense materials. At higher pressures, [[silicate perovskite|MgSiO<sub>3</sub> perovskite]] transforms to [[post-perovskite]]. |
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Los materiales de perovskita muestran muchas propiedades interesantes e intrigantes desde el punto de vista teórico y de aplicación. La [[magnetorresistencia colosal]], la [[ferroelectricidad]], la [[superconductividad]], el [[orden de carga]], el transporte dependiente del spin, el alto poder térmico y la interacción de propiedades estructurales, magnéticas y de transporte son características comúnmente observadas en esta familia. Estos compuestos se utilizan como sensores y electrodos de catalizador en ciertos tipos de [[pilas de combustible]] (SOFC o ''Solid oxide fuel cell'')<ref>{{cite journal|last=Kulkarni|first=A|display-authors=4|author2=FT Ciacchi |author3=S Giddey |author4=C Munnings |author5=SPS Badwal |author6=JA Kimpton |author7=D Fini |title=Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells|journal=International Journal of Hydrogen Energy|date=2012|volume=37|issue=24|pages=19092–19102|doi=10.1016/j.ijhydene.2012.09.141|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319912022082}}</ref> y son candidatos para dispositivos de memoria y en aplicaciones de [[espintrónica]].<ref>{{cite journal| title = Mixed-valence manganites| author = J. M. D. Coey| author2 = M. Viret| author3 = S. von Molnar|doi = 10.1080/000187399243455| journal = Advances in Physics| volume = 48| issue = 2|date = 1999|pages = 167–293|bibcode = 1999AdPhy..48..167C }}</ref> |
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Fluoride perovskites such as NaMgF<sub>3</sub> are well known. A large family of metallic perovskite compounds can be represented by RT<sub>3</sub>M (R: rare-earth or other relatively large ion, T: transition metal ion and M: light metalloids). The metalloids occupy the octahedrally coordinated "B" sites in these compounds. RPd<sub>3</sub>B, RRh<sub>3</sub>B and CeRu<sub>3</sub>C are examples. MgCNi<sub>3</sub> is a metallic perovskite compound and has received lot of attention because of its superconducting properties. An even more exotic type of perovskite is represented by the mixed oxide-aurides of Cs and Rb, such as Cs<sub>3</sub>AuO, which contain large alkali cations in the traditional "anion" sites, bonded to O<sup>2−</sup> and Au<sup>−</sup> anions. |
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Muchos materiales cerámicos [[superconductor]]es (los [[superconductores de alta temperatura]]) tienen estructuras de tipo perovskita, a menudo con 3 o más metales incluyendo el cobre y con algunas posiciones de oxígeno vacantes. Un ejemplo principal es el [[YBCO]] (óxido itrio bario cobre) que puede ser aislante o superconductor dependiendo del contenido de oxígeno. |
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== Propiedades del material == |
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[[Colossal magnetoresistance]], [[ferroelectricity]], [[superconductivity]], [[charge ordering]], spin dependent transport, high thermopower and the interplay of structural, magnetic and transport properties are commonly observed features in this family. These compounds are used as sensors and catalyst electrodes in certain types of [[SOFC|fuel cells]]<ref>{{cite journal|last=Kulkarni|first=A|display-authors=4|author2=FT Ciacchi |author3=S Giddey |author4=C Munnings |author5=SPS Badwal |author6=JA Kimpton |author7=D Fini |title=Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells|journal=International Journal of Hydrogen Energy|date=2012|volume=37|issue=24|pages=19092–19102|doi=10.1016/j.ijhydene.2012.09.141|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319912022082}}</ref> and are candidates for memory devices and [[spintronics]] applications. |
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Los ingenieros químicos están considerando un material de perovskita a base de cobalto como sustituto del platino en los convertidores catalíticos en los vehículos diesel.<ref>{{cite journal| title = Building a cheaper catalyst|author = Alexandra Witze|journal = Science News Web Edition|date = 2010|url = http://www.sciencenews.org/view/generic/id/57618/title/Building_a_cheaper_catalyst}}</ref> |
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Los materiales de perovskita muestran muchas propiedades interesantes e intrigantes desde el punto de vista teórico y de aplicación. La [[magnetoresistencia colosal]] , la [[ferroelectricidad]] , la [[superconductividad]] , el [[orden de carga]] , el transporte dependiente del spin, el alto poder térmico y la interacción de propiedades estructurales, magnéticas y de transporte son características comúnmente observadas en esta familia. Estos compuestos se utilizan como sensores y electrodos de catalizador en ciertos tipos de [[pilas de combustible]]<ref>{{cite journal|last=Kulkarni|first=A|display-authors=4|author2=FT Ciacchi |author3=S Giddey |author4=C Munnings |author5=SPS Badwal |author6=JA Kimpton |author7=D Fini |title=Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells|journal=International Journal of Hydrogen Energy|date=2012|volume=37|issue=24|pages=19092–19102|doi=10.1016/j.ijhydene.2012.09.141|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319912022082}}</ref> y son candidatos para dispositivos de memoria y aplicaciones de [[espintrónica]].<ref>{{cite journal| title = Mixed-valence manganites| author = J. M. D. Coey| author2 = M. Viret| author3 = S. von Molnar|doi = 10.1080/000187399243455| journal = Advances in Physics| volume = 48| issue = 2|date = 1999|pages = 167–293|bibcode = 1999AdPhy..48..167C }}</ref> |
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== Aplicaciones == |
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Muchos materiales cerámicos [[superconductor]]es (los [[superconductores de alta temperatura]] ) tienen estructuras de tipo perovskita, a menudo con 3 o más metales incluyendo cobre y algunas posiciones de oxígeno dejadas vacantes. Un ejemplo principal es el óxido de cobre de óxido de itrio que puede ser aislante o superconductor dependiendo del contenido de oxígeno. |
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Algunas propiedades físicas de interés de las perovskitas para la [[ciencia de los materiales]] son la [[superconductividad]], la [[magnetoresistencia]], la [[conductividad iónica]] y otras muchas propiedades dieléctricas, que son de gran importancia en microelectrónica y telecomunicaciones. Debido a la flexibilidad de los ángulos de unión inherente a la estructura de perovskita hay muchos tipos de distorsiones diferentes que pueden darse a partir de la estructura ideal, como la inclinación de los octaedros, los desplazamientos de los cationes fuera de los centros de sus poliedros de coordinación o las distorsiones de los octaedros impulsados por factores electrónicos ([[efecto Jahn-Teller|distorsiones Jahn-Teller]]).<ref name=Lufaso>{{cite journal|doi=10.1107/S0108768103026661|title=Jahn–Teller distortions, cation ordering and octahedral tilting in perovskites|date=2004|last1=Lufaso|first1=Michael W.|last2=Woodward|first2=Patrick M.|journal=Acta Crystallographica Section B|volume=60|pages=10}}</ref> |
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Los ingenieros químicos están considerando un material de perovskita a base de cobalto como reemplazo del platino en los convertidores catalíticos en vehículos diesel.<ref>{{cite journal| title = Building a cheaper catalyst|author = Alexandra Witze|journal = Science News Web Edition|date = 2010|url = http://www.sciencenews.org/view/generic/id/57618/title/Building_a_cheaper_catalyst}}</ref> |
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Many [[superconductor|superconducting]] [[ceramic]] materials (the [[high temperature superconductors]]) have perovskite-like structures, often with 3 or more metals including copper, and some oxygen positions left vacant. One prime example is [[yttrium barium copper oxide]] which can be insulating or superconducting depending on the oxygen content. |
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Chemical engineers are considering a cobalt-based perovskite material as a replacement for platinum in catalytic converters in diesel vehicles. |
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== Aplicaciones == |
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Physical properties of interest to [[materials science]] among perovskites include [[superconductivity]], [[magnetoresistance]], [[ionic conductivity]], and a multitude of dielectric properties, which are of great importance in microelectronics and [[telecommunication]]. Because of the flexibility of bond angles inherent in the perovskite structure there are many different types of distortions which can occur from the ideal structure. These include tilting of the [[octahedra]], displacements of the cations out of the centers of their coordination polyhedra, and distortions of the octahedra driven by [[Electronics|electronic]] factors ([[Jahn–Teller effect|Jahn-Teller distortions]]).<ref name=Lufaso>{{cite journal|doi=10.1107/S0108768103026661|title=Jahn–Teller distortions, cation ordering and octahedral tilting in perovskites|date=2004|last1=Lufaso|first1=Michael W.|last2=Woodward|first2=Patrick M.|journal=Acta Crystallographica Section B|volume=60|pages=10}}</ref> |
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Las propiedades físicas de interés para la [[ciencia de los materiales]] entre las perovskitas incluyen [[superconductividad]] , [[magnetoresistencia]] , [[conductividad iónica]] y una multitud de propiedades dieléctricas, que son de gran importancia en microelectrónica y telecomunicaciones . Debido a la flexibilidad de los ángulos de unión inherentes a la estructura de perovskita hay muchos tipos diferentes de distorsiones que pueden ocurrir a partir de la estructura ideal. Estos incluyen la inclinación de los octaedros , los desplazamientos de los cationes fuera de los centros de sus poliedros de coordinación, y las distorsiones de los octaedros impulsados por factores electrónicos ( distorsiones Jahn-Teller ). [8] |
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=== Fotovoltaicas === |
=== Fotovoltaicas === |
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{{AP|Perovskite solar cell|l1=Célula solar perovskita}} |
{{AP|en:Perovskite solar cell|l1=Célula solar perovskita (en inglés)}} |
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[[Archivo:CH3NH3PbI3 structure.png|thumb|Estructura cristalina de perovskitas CH |
[[Archivo:CH3NH3PbI3 structure.png|thumb|Estructura cristalina de perovskitas CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbX<sub>3</sub> (X = I, Br y/o Cl). El catión metilamonio (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub><sup>+</sup>) está rodeado por octaedros de PbX<sub>6</sub>.<ref name=r5>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms8497|pmid=26105623|pmc=4491179|title=Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells|journal=Nature Communications|volume=6|pages=7497|year=2015|last1=Eames|first1=Christopher|last2=Frost|first2=Jarvist M.|last3=Barnes|first3=Piers R. F.|last4=o'Regan|first4=Brian C.|last5=Walsh|first5=Aron|last6=Islam|first6=M. Saiful|bibcode = 2015NatCo...6E7497E }}</ref>]] |
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Crystal structure of CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbX<sub>3</sub> perovskites (X=I, Br and/or Cl). The methylammonium cation (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub><sup>+</sup>) is surrounded by PbX<sub>6</sub> octahedra.<ref name=r5>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms8497|pmid=26105623|pmc=4491179|title=Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells|journal=Nature Communications|volume=6|pages=7497|year=2015|last1=Eames|first1=Christopher|last2=Frost|first2=Jarvist M.|last3=Barnes|first3=Piers R. F.|last4=o'Regan|first4=Brian C.|last5=Walsh|first5=Aron|last6=Islam|first6=M. Saiful|bibcode = 2015NatCo...6E7497E }}</ref>]] |
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Synthetic perovskites have been identified as possible inexpensive base materials for high-efficiency commercial [[photovoltaics]]<ref>{{cite web |url=http://www.technologyreview.com/news/517811/a-material-that-could-make-solar-power-dirt-cheap/ |title=A Material That Could Make Solar Power "Dirt Cheap" |last1=Bullis |first1=Kevin |date=8 August 2013 |website=[[MIT Technology Review]] |accessdate=8 August 2013}}</ref><ref name="Li, Hangqian. 2016 243–251">{{cite journal|author=Li, Hangqian. |date=2016 |title=A modified sequential deposition method for fabrication of perovskite solar cells |url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X15007185 |journal=Solar Energy |volume=126 |pages=243–251 |doi=10.1016/j.solener.2015.12.045 |issue=}}</ref> – they showed a conversion efficiency of up to 15%<ref name="Li, Hangqian. 2016 243–251"/><ref>{{cite web |url=http://news.sciencemag.org/physics/2013/09/flat-out-major-advance-emerging-solar-cell-technology |title=A Flat-Out Major Advance for an Emerging Solar Cell Technology |date=11 September 2013 |website=[[Science (journal)]] |author=Cartwright, Jon }}</ref> and can be manufactured using the same thin-film manufacturing techniques as that used for thin film silicon solar cells.<ref>{{cite journal |doi=10.1038/nature12509 |title=Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition |date=2013 |last1=Liu |first1=Mingzhen |last2=Johnston |first2=Michael B. |last3=Snaith |first3=Henry J. |authorlink3 = Henry Snaith|journal=Nature |volume=501 |issue=7467 |pages=395–8 |pmid=24025775|bibcode = 2013Natur.501..395L }}</ref> Methylammonium tin halides and [[methylammonium lead halide]]s are of interest for use in [[dye-sensitized solar cell]]s.<ref>{{cite journal|author=Lotsch, B.V. |date=2014 |title=New Light on an Old Story: Perovskites Go Solar |journal= Angew. Chem. Int. Ed. |volume=53 |issue=3 |pages=635–637 |url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201309368/abstract |doi=10.1002/anie.201309368}}</ref><ref>{{cite journal|author=Service, R. |date=2013 |title=Turning Up the Light |url=http://www.sciencemag.org/content/342/6160/794 |journal=Science |volume=342 |pages=794–797 |doi=10.1126/science.342.6160.794 |issue=6160}}</ref> In 2016, power conversion efficiency have reached 21%.{{citation needed|date=March 2016}} In July 2016, a team of researchers led by Dr. Alexander Weber-Bargioni demonstrated that perovskite PV cells could reach a theoretical peak efficiency of 31%.<ref>http://factor-tech.com/green-energy/23404-nanoscale-discovery-could-push-perovskite-solar-cells-to-31-efficency/</ref> |
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Las perovskitas sintéticas se han identificado como posibles materiales económicos de alta eficiencia para la industria [[fotovoltaica]] comercial,<ref>{{cite web |url=http://www.technologyreview.com/news/517811/a-material-that-could-make-solar-power-dirt-cheap/ |title=A Material That Could Make Solar Power "Dirt Cheap" |last1=Bullis |first1=Kevin |date=8 de agosto de 2013 |website=[[MIT Technology Review]] |accessdate=8 de agosto de 2013 |fechaarchivo=1 de julio de 2019 |urlarchivo=https://web.archive.org/web/20190701170110/https://www.technologyreview.com/s/517811/a-material-that-could-make-solar-power-dirt-cheap/ |deadurl=yes }}</ref><ref name="Li, Hangqian. 2016 243–251">{{cite journal|author=Li, Hangqian. |date=2016 |title=A modified sequential deposition method for fabrication of perovskite solar cells |url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X15007185 |journal=Solar Energy |volume=126 |pages=243–251 |doi=10.1016/j.solener.2015.12.045 |issue=}}</ref> ya que mostraron una eficiencia de conversión de hasta el 15%<ref name="Li, Hangqian. 2016 243–251"/><ref>{{cite web |url=http://news.sciencemag.org/physics/2013/09/flat-out-major-advance-emerging-solar-cell-technology |title=A Flat-Out Major Advance for an Emerging Solar Cell Technology |date=11 de septiembre de 2013 |website=[[Science (journal)]] |author=Cartwright, Jon }}</ref> y se pueden fabricar usando las mismas técnicas de fabricación de [[película delgada]] que las que usadas para las células solares de silicio.<ref>{{cite journal |doi=10.1038/nature12509 |title=Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition |date=2013 |last1=Liu |first1=Mingzhen |last2=Johnston |first2=Michael B. |last3=Snaith |first3=Henry J. |authorlink3 = Henry Snaith|journal=Nature |volume=501 |issue=7467 |pages=395–8 |pmid=24025775|bibcode = 2013Natur.501..395L }}</ref> Los [[haluro]]s de estaño de [[metilamonio]] y los haluros de plomo de metilamonio son de interés para su uso en [[Celda Solar Graetzel|células solares sensibilizadas por colorantes]].<ref>{{cite journal|author=Lotsch, B.V. |date=2014 |title=New Light on an Old Story: Perovskites Go Solar |journal= Angew. Chem. Int. Ed. |volume=53 |issue=3 |pages=635–637 |url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201309368/abstract |doi=10.1002/anie.201309368}}</ref><ref>{{cite journal|author=Service, R. |date=2013 |title=Turning Up the Light |url=http://www.sciencemag.org/content/342/6160/794 |journal=Science |volume=342 |pages=794–797 |doi=10.1126/science.342.6160.794 |issue=6160}}</ref> En 2016, la eficiencia de la conversión de energía ha alcanzado el 21%.{{citation needed|date=March 2016}} En julio de 2016, un equipo de investigadores dirigido por Alexander Weber-Bargioni demostró que las células de perovskita PV podrían alcanzar una eficiencia máxima teórica del 31%.<ref>{{Cita web |url=http://factor-tech.com/green-energy/23404-nanoscale-discovery-could-push-perovskite-solar-cells-to-31-efficency/ |título=Copia archivada |fechaacceso=6 de marzo de 2017 |fechaarchivo=16 de abril de 2017 |urlarchivo=https://web.archive.org/web/20170416051256/http://factor-tech.com/green-energy/23404-nanoscale-discovery-could-push-perovskite-solar-cells-to-31-efficency/ |deadurl=yes }}</ref> |
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Entre los haluros de metilamonio estudiados hasta ahora, el más común es el triyoduro de plomo metilamonio ({{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}}). El [[portador de carga]] tiene una alta movilidad y una vida útil que permite que los electrones y los [[Hueco de electrón|huecos]] generados por la luz se muevan lo suficiente como para ser extraídos como corriente, en lugar de perder su energía como calor dentro de la célula. Las longitudes de difusión efectivas de {{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}} son de unos 100 nm, tanto para los electrones como para los huecos.<ref name=sci1310>{{Cite journal | last1 = Hodes | first1 = G. | title = Perovskite-Based Solar Cells | doi = 10.1126/science.1245473 | journal = Science | volume = 342 | issue = 6156 | pages = 317–318 | year = 2013 | pmid = 24136955|bibcode = 2013Sci...342..317H }}</ref> |
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Los haluros de metilamonio se depositan mediante métodos de solución a baja temperatura (típicamente, [[revestimiento por centrifugación]], o ''spin-coating''). Otras películas procesadas en solución a baja temperatura (por debajo de 100 °C) tienden a tener longitudes de difusión considerablemente más pequeñas. Stranks ''et al.'' han descrito células nanoestructuradas utilizando un haluro de plomo metilamonio mixto (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbI<sub>3−x</sub>Cl<sub>x</sub>) y mostraron una célula solar de película delgada amorfa con una eficiencia de conversión del 11,4% y otra que alcanzó el 15,4% usando [[evaporación en vacío]]. El espesor de la película es, aproximadamente, de 500 a 600 nm, lo que implica que las longitudes de difusión de los electrones y los huecos eran al menos de ese orden. Midieron valores de la longitud de difusión superiores a 1 μm para la perovskita mixta, un orden de magnitud mayor que los 100 nm para el yoduro puro. También mostraron que las vidas de los portadores en la perovskita mixta son más largas que en el yoduro puro.<ref name=sci1310/> |
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Para {{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}}, el [[Tensión de circuito abierto|voltaje de circuito abierto]] (V<sub>OC</sub>) se aproxima típicamente a 1 V, mientras que para {{chem|CH|3|NH|3|PbI|(I,Cl)|3}} con bajo contenido de Cl, el V<sub>OC</sub> > 1.1 V. Debido a que las [[Banda prohibida|brechas de banda]] (E<sub>g</sub>) de ambos son 1.55 eV, las relaciones V<sub>OC</sub> y E<sub>g</sub> son más altas de lo que se observa normalmente en las células similares de tercera generación. Con perovskitas de brechas de banda más anchas, se han demostrado V<sub>OC</sub> de hasta 1,3 V.<ref name=sci1310/> |
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La técnica ofrece potencialmente un bajo costo debido a los métodos de solución a baja temperatura y a la ausencia de elementos raros. La durabilidad de estas células es actualmente insuficiente para su uso comercial.<ref name=sci1310/> |
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Las perovskitas sintéticas se han identificado como posibles materiales de base baratos para la fotovoltaica comercial de alta eficiencia [10] [11] - que mostraron una eficiencia de conversión de hasta el 15% [11] [12] y se pueden fabricar con la misma fabricación de película delgada Como las que se usan para células solares de silicio de película delgada. [13] Los haluros de metilamonio-estaño y los haluros de plomo de metilamonio son de interés para su uso en células solares sensibilizadas por colorantes . [14] [15] En 2016, la eficiencia de la conversión de energía ha alcanzado el 21%. En julio de 2016, un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Alexander Weber-Bargioni demostró que las células PV perovskita podría alcanzar una eficiencia máxima teórica del 31%. [dieciséis] |
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Las células solares de perovskita de heterojunción planar se pueden fabricar en arquitecturas de dispositivos simplificadas (sin nanoestructuras complejas) utilizando únicamente deposición de vapor. Esta técnica produce una conversión de energía solar a energía eléctrica del 15%, medida bajo una luz solar completamente simulada.<ref>{{Cite journal | doi = 10.1038/nature12509| title = Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition| journal = Nature| volume = 501| issue = 7467| pages = 395–8| year = 2013| last1 = Liu | first1 = M. | last2 = Johnston | first2 = M. B. | last3 = Snaith | first3 = H. J. | pmid=24025775|bibcode = 2013Natur.501..395L }}</ref> |
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Entre los haluros de metilamonio estudiados hasta ahora, el más común es el metilamonio-triyoduro de plomo ( CH |
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3 NH |
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3 PbI |
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3 ). Tiene una alta movilidad de la portadora de carga y una vida útil del portador de carga que permite que los electrones generados por la luz y los orificios se muevan lo suficiente como para ser extraídos como corriente, en lugar de perder su energía como calor dentro de la célula. CH |
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3 NH |
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3 longitudes de difusión efectivas son de unos 100 nm tanto para electrones como para agujeros. [17] |
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=== Láseres === |
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Los haluros de metilamonio se depositan por métodos de solución a baja temperatura (típicamente, revestimiento por centrifugación). Otras películas procesadas en solución a baja temperatura (por debajo de 100ºC) tienden a tener longitudes de difusión considerablemente más pequeñas. Stranks et al. Describieron células nanoestructuradas utilizando un haluro de plomo metilamonio mixto (CH3NH3PbI3 - xClx) y demostraron una célula solar de película delgada amorfa con una eficiencia de conversión del 11,4% y otra que alcanzó el 15,4% usando evaporación al vacío . El espesor de la película de aproximadamente 500 a 600 nm implica que las longitudes de difusión de electrones y agujeros eran al menos de este orden. Medían valores de la longitud de difusión superior a 1 μm para la perovskita mixta, un orden de magnitud mayor que los 100 nm para el yoduro puro. También mostraron que las vidas de los portadores en la perovskita mixta son más largas que en el yoduro puro. [17] |
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También en 2008 los investigadores demostraron que la perovskita puede generar luz [[láser]]. LaAlO<sub>3</sub> dopado con [[neodimio]] dio una emisión láser a 1080 nm.<ref>{{cite journal|title=Laser action in LaAlO<sub>3</sub>:Nd<sup>3+</sup> single crystal |journal=Journal of Applied Physics|volume=103|issue=4|pages=043102|doi=10.1063/1.2842399|year=2008|last1=Dereń|first1=P. J.|last2= Bednarkiewicz|first2= A.|last3=Goldner|first3=Ph.|last4= Guillot-Noël|first4=O.|bibcode = 2008JAP...103d3102D }}</ref> En 2014 se demostró que las células mixtas de haluro de plomo de metilamonio (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbI<sub>3−x</sub>Cl<sub>x</sub>) formadas por bombeo óptico en láseres de cavidad vertical de emisión de superficie (VCSELs, o ''vertical-cavity surface-emitting lasers'') convierten la luz de visible bombeada en luz láser cercana al IR con una eficiencia del 70%.<ref>Wallace, John (28 March 2014) [http://www.laserfocusworld.com/articles/2014/03/high-efficiency-perovskite-photovoltaic-material-also-lases.html High-efficiency perovskite photovoltaic material also lases]. ''LaserFocusWorld''</ref><ref name=k1403>{{cite web |url=http://www.rdmag.com/news/2014/03/study-perovskite-solar-cells-can-double-lasers |title=Study: Perovskite solar cells can double as lasers |publisher=Rdmag.com |date=28 de marzo de 2014 |accessdate=24 de agosto de 2014}}</ref> |
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Para CH |
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3 NH |
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3 , el voltaje de circuito abierto (V OC ) se aproxima típicamente a 1 V, mientras que para CH |
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3 NH |
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3 } PbI (I, Cl) |
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3 con bajo contenido de Cl, VOC > 1,1 V. Debido a que las brechas de banda (E g ) de ambos son 1.55 eV, las relaciones V OC -to-E g son más altas de lo que se observa normalmente para células de tercera generación similares. Con perovskitas de bandgap más anchas, se ha demostrado VOC hasta 1,3 V. [17] |
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La técnica ofrece el potencial de bajo costo debido a los métodos de solución a baja temperatura y la ausencia de elementos raros. La durabilidad de las células es actualmente insuficiente para el uso comercial. [17] |
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Las células solares de perovskita de heterojunción planar se pueden fabricar en arquitecturas de dispositivos simplificadas (sin nanoestructuras complejas) utilizando únicamente deposición de vapor. Esta técnica produce una conversión de energía solar a eléctrica del 15%, medida bajo luz solar completamente simulada. [18] |
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Among the methylammonium halides studied so far the most common is the methylammonium lead triiodide ({{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}}). It has a high [[charge carrier]] mobility and charge carrier lifetime that allow light-generated electrons and holes to move far enough to be extracted as current, instead of losing their energy as heat within the cell. {{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}} effective diffusion lengths are some 100 nm for both electrons and holes.<ref name=sci1310>{{Cite journal | last1 = Hodes | first1 = G. | title = Perovskite-Based Solar Cells | doi = 10.1126/science.1245473 | journal = Science | volume = 342 | issue = 6156 | pages = 317–318 | year = 2013 | pmid = 24136955|bibcode = 2013Sci...342..317H }}</ref> |
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Methylammonium halides are deposited by low-temperature solution methods (typically [[spin-coating]]). Other low-temperature (below 100 °C) solution-processed films tend to have considerably smaller diffusion lengths. Stranks et al. described [[nanostructure]]d cells using a mixed methylammonium lead halide (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbI<sub>3−x</sub>Cl<sub>x</sub>) and demonstrated one amorphous thin-film solar cell with an 11.4% conversion efficiency, and another that reached 15.4% using [[vacuum evaporation]]. The film thickness of about 500 to 600 nm implies that the electron and hole diffusion lengths were at least of this order. They measured values of the diffusion length exceeding 1 µm for the mixed perovskite, an order of magnitude greater than the 100 nm for the pure iodide. They also showed that carrier lifetimes in the mixed perovskite are longer than in the pure iodide.<ref name=sci1310/> |
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For {{chem|CH|3|NH|3|PbI|3}}, [[open-circuit voltage]] (V<sub>OC</sub>) typically approaches 1 V, while for {{chem|CH|3|NH|3|PbI|(I,Cl)|3}} with low Cl content, V<sub>OC</sub> > 1.1 V has been reported. Because the [[band gap]]s (E<sub>g</sub>) of both are 1.55 eV, V<sub>OC</sub>-to-E<sub>g</sub> ratios are higher than usually observed for similar third-generation cells. With wider bandgap perovskites, V<sub>OC</sub> up to 1.3 V has been demonstrated.<ref name=sci1310/> |
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The technique offers the potential of low cost because of the low temperature solution methods and the absence of rare elements. Cell durability is currently insufficient for commercial use.<ref name=sci1310/> |
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Planar heterojunction perovskite solar cells can be manufactured in simplified device architectures (without complex nanostructures) using only vapor deposition. This technique produces 15% solar-to-electrical power conversion as measured under simulated full sunlight. <ref>{{Cite journal | doi = 10.1038/nature12509| title = Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition| journal = Nature| volume = 501| issue = 7467| pages = 395–8| year = 2013| last1 = Liu | first1 = M. | last2 = Johnston | first2 = M. B. | last3 = Snaith | first3 = H. J. | pmid=24025775|bibcode = 2013Natur.501..395L }}</ref> |
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=== Lasers === |
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In 2014 it was shown that mixed methylammonium lead halide (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbI<sub>3−x</sub>Cl<sub>x</sub>) cells fashioned into optically pumped vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) convert visible pump light to near-IR laser light with a 70% efficiency. |
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También en 2008 los investigadores demostraron que la perovskita puede generar luz [[láser]]. LaAlO<sub>3</sub> dopado con [[neodimio]] dio una emisión láser a 1080 nm.<ref>{{cite journal|title=Laser action in LaAlO<sub>3</sub>:Nd<sup>3+</sup> single crystal |journal=Journal of Applied Physics|volume=103|issue=4|pages=043102|doi=10.1063/1.2842399|year=2008|last1=Dereń|first1=P. J.|last2= Bednarkiewicz|first2= A.|last3=Goldner|first3=Ph.|last4= Guillot-Noël|first4=O.|bibcode = 2008JAP...103d3102D }}</ref> En 2014 se demostró que las células mezcladas de haluro de plomo de metilamonio (CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub>PbI<sub>3−x</sub>Cl<sub>x</sub>) formadas en láseres de emisión de superficie de cavidad vertical bombeados ópticamente (VCSELs) convierten la luz de la bomba visible en la luz láser IR cercano con una eficiencia del 70%.<ref>Wallace, John (28 March 2014) [http://www.laserfocusworld.com/articles/2014/03/high-efficiency-perovskite-photovoltaic-material-also-lases.html High-efficiency perovskite photovoltaic material also lases]. ''LaserFocusWorld''</ref><ref name=k1403>{{cite web |url=http://www.rdmag.com/news/2014/03/study-perovskite-solar-cells-can-double-lasers |title=Study: Perovskite solar cells can double as lasers |publisher=Rdmag.com |date=2014-03-28 |accessdate=2014-08-24}}</ref> |
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=== Diodos emisores de luz === |
=== Diodos emisores de luz === |
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Due to their high photoluminesence [[quantum efficiency|quantum efficiencies]], perovskites may be good candidates for use in [[light-emitting diode]]s (LEDs).<ref>{{Cite journal|last=Stranks|first=Samuel D.|last2=Snaith|first2=Henry J.|date=2015-05-01|title=Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices|url=http://www.nature.com/nnano/journal/v10/n5/abs/nnano.2015.90.html|journal=Nature Nanotechnology|language=en|volume=10|issue=5|pages=391–402|doi=10.1038/nnano.2015.90|issn=1748-3387}}</ref> However, the propensity for [[Carrier generation and recombination|radiative recombination]] has mostly been observed at liquid nitrogen temperatures. |
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Debido a sus altas eficiencias cuánticas de fotoluminiscencia, las perovskitas pueden ser buenas candidatas para su uso en diodos emisores de luz (LEDs).<ref>{{Cite journal|last=Stranks|first=Samuel D.|last2=Snaith|first2=Henry J.|date=2015 |
Debido a sus altas [[eficiencia cuántica|eficiencias cuánticas]] de fotoluminiscencia, las perovskitas pueden ser buenas candidatas para su uso en [[diodo emisor de luz|diodos emisores de luz]] (LEDs).<ref>{{Cite journal|last=Stranks|first=Samuel D.|last2=Snaith|first2=Henry J.|date=1 de mayo de 2015|title=Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices|url=http://www.nature.com/nnano/journal/v10/n5/abs/nnano.2015.90.html|journal=Nature Nanotechnology |language=en|volume=10|issue=5|pages= 391–402|doi=10.1038/nnano.2015.90|issn= 1748-3387}}</ref> Sin embargo, la propensión a la recombinación radiativa se ha observado principalmente a temperaturas del nitrógeno líquido. |
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=== Fotoelectrolisis === |
=== Fotoelectrolisis === |
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En septiembre de 2014, investigadores de la [[Escuela Politécnica Federal de Lausana|EPFL]] en Lausana (Suiza), informaron que habían logrado la electrólisis del agua con una eficiencia del 12,3% en una célula de escisión de agua altamente eficiente y de bajo costo utilizando fotovoltaicas de perovskita.<ref name=Science-Luo>{{cite journal|author1=Jingshan Luo|display-authors=etal|title=Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts|journal=Science|date=26 de septiembre de 2014|volume =345|issue= 6204|pages= 1593–1596|doi= 10.1126/science.1258307|pmid=25258076|bibcode = 2014Sci...345.1593L }}<!--|accessdate=26 September 2014--></ref><ref name=PO-harvest>{{cite news|title=Harvesting hydrogen fuel from the Sun using Earth-abundant materials|url=http://phys.org/news/2014-09-harvesting-hydrogen-fuel-sun-earth-abundant.html|accessdate=26 de septiembre de 2014|publisher=Phys.org|date=Sep 25, 2014}}</ref> |
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In September 2014, researchers of EPFL in Lausanne, Switzerland reported achieving water electrolysis at 12.3% efficiency in a highly efficient and low-cost water-splitting cell using perovskite photovoltaics. |
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En septiembre de 2014, los investigadores del EPFL en Lausana (Suiza), informaron que lograron la electrolisis del agua con una eficiencia del 12,3% en una célula de escisión de agua altamente eficiente y de bajo costo utilizando la fotovoltaica de perovskita.<ref name=Science-Luo>{{cite journal|author1=Jingshan Luo|display-authors=etal|title=Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts|journal=Science|date=26 September 2014|volume=345|issue=6204|pages=1593–1596|doi=10.1126/science.1258307|pmid=25258076|bibcode = 2014Sci...345.1593L }}<!--|accessdate=26 September 2014--></ref><ref name=PO-harvest>{{cite news|title=Harvesting hydrogen fuel from the Sun using Earth-abundant materials|url=http://phys.org/news/2014-09-harvesting-hydrogen-fuel-sun-earth-abundant.html|accessdate=26 September 2014|publisher=Phys.org|date=Sep 25, 2014}}</ref> |
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==Véase también== |
==Véase también== |
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*[[ |
* [[Celda de yunque de diamante]] |
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*[[Post-perovskita]] |
* [[Post-perovskita]] |
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*[[Espinela]] |
* [[Espinela (mineral)|Espinela]] |
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*[[Factor de tolerancia Goldschmidt]] |
* [[Factor de tolerancia Goldschmidt]] |
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*[[Fase de Ruddlesden-Popper]] |
* [[Fase de Ruddlesden-Popper]] |
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===Ejemplos de perovskitas=== |
===Ejemplos de perovskitas=== |
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Sencillas |
* Sencillas: |
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*[[Titanato de estroncio]] |
:* [[Titanato de estroncio]] |
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*[[Titanato de calcio]] |
:* [[Titanato de calcio]] |
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*[[Titanato de plomo]] |
:* [[Titanato de plomo]] |
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*[[Ferrita de bismuto]] |
:* [[Ferrita de bismuto]] |
||
*[[Óxido de lantano ytterbio]] |
:* [[Óxido de lantano ytterbio]] |
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*[[Perovskita de silicato]] |
:* [[Perovskita de silicato]] |
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*[[Manganita de lantano]] |
:* [[Manganita de lantano]] |
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Soluciones sólidas |
* [[Solución sólida|Soluciones sólidas]]: |
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Manganita de estroncio de lantano |
:* [[Manganita de estroncio de lantano]] |
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LSAT (aluminato de lantano - tantalato de estroncio y aluminio) |
:* [[LSAT (óxido)|LSAT]] ([[aluminato de lantano]] - tantalato de estroncio y aluminio) |
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Titanato de escandio de plomo |
:* [[Titanato de escandio de plomo]] |
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Titanato de zirconato de plomo |
:* [[Titanato de zirconato de plomo]] |
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==Notas== |
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[[Solid solution]]s |
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*[[Lanthanum strontium manganite]] |
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*[[LSAT (oxide)|LSAT]] (lanthanum aluminate - strontium aluminum tantalate) |
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*[[Lead scandium tantalate]] |
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*[[Lead zirconate titanate]] |
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==Referencias== |
==Referencias== |
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{{traducido ref|en|Perovskite (structure)}} |
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== Bibliografía== |
== Bibliografía == |
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*{{Cite book|last = Tejuca|first = |
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Revisión actual - 15:57 19 sep 2024
- Este artículo trata sobre los compuestos sintéticos; para el mineral ver perovskita.
Una perovskita es cualquier material que tenga el mismo tipo de estructura cristalina que el titanato de calcio (CaTiO3), conocida como estructura de perovskita, o XIIA2+VIB4+X2−3 con el oxígeno dispuesto en los centros de las caras.[2]
Las perovskitas toman su nombre del mineral homónimo, perovskita, que fue descubierto por primera vez en 1839 en los montes Urales por Gustav Rose y que se nombró en reconocimiento del mineralogista ruso L. A. Perovski (1792–1856). La fórmula química general de los compuestos de perovskita es ABX3, donde 'A' y 'B' son dos cationes de tamaños muy diferentes y 'X' es un anión unido a ambos. Los átomos 'A' son más grandes que los átomos 'B'. La estructura de simetría cúbica ideal tiene el catión 'B' en coordinación 6 veces, rodeado por un octaedro de aniones, y el catión 'A' en coordinación cuboctaédrica de 12 veces. Los requerimientos de tamaños relativos de los iones para que la estructura cúbica sea estable son bastante rigurosos, por lo que un ligero abombamiento y/o distorsión pueden producir varias versiones distorsionadas con simetrías inferiores, en las que se reducen los números de coordinación de los cationes 'A', de los cationes 'B' o de ambos.
Los compuestos naturales con esta estructura son la perovskita, la loparita y la bridgmanita de perovskita de silicato.[2][3]
Estructura
[editar]La estructura de perovskita es adoptada por muchos óxidos que tienen la fórmula química ABO3.
En la celda unitaria cúbica idealizada de tal compuesto, el átomo del tipo 'A' se sitúa en las posiciones de esquina del cubo (0, 0, 0), el átomo del tipo 'B' se sitúa en la posición central del cuerpo (½, ½, ½) y los átomos de oxígeno se sitúan en las posiciones centradas en la cara (1/2, 1/2, 0). (El diagrama muestra los bordes de una celda unitaria equivalente con A en el centro del cuerpo, B en las esquinas y O en el borde medio).
Los requerimientos de tamaños relativos de los iones para la estabilidad de la estructura cúbica son bastante rigurosos, por lo que un ligero abollamiento y distorsión puede producir varias versiones distorsionadas con simetría inferior, en las que se reducen los números de coordinación de los cationes A, de los cationes B o de ambos. La inclinación del octaedro BO6 reduce la coordinación de un catión A desde 12 hasta 8. A la inversa, el descentrado de un catión más pequeño B en su octaedro le permite alcanzar un patrón de enlace estable. El dipolo eléctrico resultante es responsable de la propiedad de la ferroelectricidad y se muestra en perovskitas tales como el BaTiO3 que distorsionan de esta manera.
Las fases ortorrómbica y tetragonal son las variantes no cúbicas más comunes.
Las estructuras de perovskita complejas tienen dos cationes 'B' diferentes. Esto da lugar a la posibilidad de variantes ordenadas y desordenadas.
Ocurrencias más frecuentes
[editar]El mineral más común en la Tierra es la bridgmanita, un silicato rico en magnesio que adopta la estructura de perovskita a alta presión. En los minerales que contienen sílice dominante, a medida que aumenta la presión, las unidades tetraédricas de SiO44− se vuelven inestables en comparación con las unidades octaédricas de SiO68−. En las condiciones de presión y temperatura del manto inferior, el material más abundante es un mineral de estructura de perovskita de fórmula (Mg,Fe)SiO3, siendo el segundo material más abundante un óxido de estructura similar a la halita (Mg, Fe)O, periclasa.[2]
En las condiciones de alta presión del manto inferior de la Tierra, la enstatita de piroxeno, MgSiO3, se transforma en un polimorfo más denso con estructura de perovskita; esta fase puede ser el mineral más común en la Tierra.[4] Esta fase tiene la estructura de perovskita ortorrómbicamente distorsionada (estructura de tipo GdFeO3) que es estable a presiones de ~24 GPa a ~110 GPa. Sin embargo, no puede ser transportado desde las profundidades de varios cientos de kilómetros hasta la superficie de la Tierra sin transformarse de nuevo en materiales menos densos. A mayores presiones, la perovskita de MgSiO3 se transforma en post-perovskita.
Otro mineral muy frecuente en el manto, y recientemente hallado en el interior de un diameante, es la perovskita de CaSiO3. [5]
Aunque los compuestos de perovskita más comunes contienen oxígeno, hay algunos que se forman sin oxígeno, siendo bien conocidas las perovskitas de flúor, como NaMgF3. Una gran familia de compuestos de perovskitas metálicas puede representarse mediante RT3M (siendo R= tierra rara u otro ión relativamente grande; T= ión de metal de transición; y M= metaloides ligeros). Los metaloides ocupan los sitios 'B' coordinados octaédricamente en estos compuestos. RPd3B, RRh3B y CeRu3C son ejemplos. El MgCNi3 es un compuesto de perovskita metálico y ha recibido mucha atención debido a sus propiedades superconductoras. Un tipo aún más exótico de perovskita está representado por los óxidos auricos mixtos de Cs y Rb, como el Cs3AuO, que tienen grandes cationes de álcali en los sitios tradicionales de los "aniones", enlazados a los aniones O2− y Au−.
Propiedades materiales
[editar]Los materiales de perovskita muestran muchas propiedades interesantes e intrigantes desde el punto de vista teórico y de aplicación. La magnetorresistencia colosal, la ferroelectricidad, la superconductividad, el orden de carga, el transporte dependiente del spin, el alto poder térmico y la interacción de propiedades estructurales, magnéticas y de transporte son características comúnmente observadas en esta familia. Estos compuestos se utilizan como sensores y electrodos de catalizador en ciertos tipos de pilas de combustible (SOFC o Solid oxide fuel cell)[6] y son candidatos para dispositivos de memoria y en aplicaciones de espintrónica.[7]
Muchos materiales cerámicos superconductores (los superconductores de alta temperatura) tienen estructuras de tipo perovskita, a menudo con 3 o más metales incluyendo el cobre y con algunas posiciones de oxígeno vacantes. Un ejemplo principal es el YBCO (óxido itrio bario cobre) que puede ser aislante o superconductor dependiendo del contenido de oxígeno.
Los ingenieros químicos están considerando un material de perovskita a base de cobalto como sustituto del platino en los convertidores catalíticos en los vehículos diesel.[8]
Aplicaciones
[editar]Algunas propiedades físicas de interés de las perovskitas para la ciencia de los materiales son la superconductividad, la magnetoresistencia, la conductividad iónica y otras muchas propiedades dieléctricas, que son de gran importancia en microelectrónica y telecomunicaciones. Debido a la flexibilidad de los ángulos de unión inherente a la estructura de perovskita hay muchos tipos de distorsiones diferentes que pueden darse a partir de la estructura ideal, como la inclinación de los octaedros, los desplazamientos de los cationes fuera de los centros de sus poliedros de coordinación o las distorsiones de los octaedros impulsados por factores electrónicos (distorsiones Jahn-Teller).[9]
Fotovoltaicas
[editar]Las perovskitas sintéticas se han identificado como posibles materiales económicos de alta eficiencia para la industria fotovoltaica comercial,[11][12] ya que mostraron una eficiencia de conversión de hasta el 15%[12][13] y se pueden fabricar usando las mismas técnicas de fabricación de película delgada que las que usadas para las células solares de silicio.[14] Los haluros de estaño de metilamonio y los haluros de plomo de metilamonio son de interés para su uso en células solares sensibilizadas por colorantes.[15][16] En 2016, la eficiencia de la conversión de energía ha alcanzado el 21%.[cita requerida] En julio de 2016, un equipo de investigadores dirigido por Alexander Weber-Bargioni demostró que las células de perovskita PV podrían alcanzar una eficiencia máxima teórica del 31%.[17]
Entre los haluros de metilamonio estudiados hasta ahora, el más común es el triyoduro de plomo metilamonio (CH
3NH
3PbI
3). El portador de carga tiene una alta movilidad y una vida útil que permite que los electrones y los huecos generados por la luz se muevan lo suficiente como para ser extraídos como corriente, en lugar de perder su energía como calor dentro de la célula. Las longitudes de difusión efectivas de CH
3NH
3PbI
3 son de unos 100 nm, tanto para los electrones como para los huecos.[18]
Los haluros de metilamonio se depositan mediante métodos de solución a baja temperatura (típicamente, revestimiento por centrifugación, o spin-coating). Otras películas procesadas en solución a baja temperatura (por debajo de 100 °C) tienden a tener longitudes de difusión considerablemente más pequeñas. Stranks et al. han descrito células nanoestructuradas utilizando un haluro de plomo metilamonio mixto (CH3NH3PbI3−xClx) y mostraron una célula solar de película delgada amorfa con una eficiencia de conversión del 11,4% y otra que alcanzó el 15,4% usando evaporación en vacío. El espesor de la película es, aproximadamente, de 500 a 600 nm, lo que implica que las longitudes de difusión de los electrones y los huecos eran al menos de ese orden. Midieron valores de la longitud de difusión superiores a 1 μm para la perovskita mixta, un orden de magnitud mayor que los 100 nm para el yoduro puro. También mostraron que las vidas de los portadores en la perovskita mixta son más largas que en el yoduro puro.[18]
Para CH
3NH
3PbI
3, el voltaje de circuito abierto (VOC) se aproxima típicamente a 1 V, mientras que para CH
3NH
3PbI(I,Cl)
3 con bajo contenido de Cl, el VOC > 1.1 V. Debido a que las brechas de banda (Eg) de ambos son 1.55 eV, las relaciones VOC y Eg son más altas de lo que se observa normalmente en las células similares de tercera generación. Con perovskitas de brechas de banda más anchas, se han demostrado VOC de hasta 1,3 V.[18]
La técnica ofrece potencialmente un bajo costo debido a los métodos de solución a baja temperatura y a la ausencia de elementos raros. La durabilidad de estas células es actualmente insuficiente para su uso comercial.[18]
Las células solares de perovskita de heterojunción planar se pueden fabricar en arquitecturas de dispositivos simplificadas (sin nanoestructuras complejas) utilizando únicamente deposición de vapor. Esta técnica produce una conversión de energía solar a energía eléctrica del 15%, medida bajo una luz solar completamente simulada.[19]
Láseres
[editar]También en 2008 los investigadores demostraron que la perovskita puede generar luz láser. LaAlO3 dopado con neodimio dio una emisión láser a 1080 nm.[20] En 2014 se demostró que las células mixtas de haluro de plomo de metilamonio (CH3NH3PbI3−xClx) formadas por bombeo óptico en láseres de cavidad vertical de emisión de superficie (VCSELs, o vertical-cavity surface-emitting lasers) convierten la luz de visible bombeada en luz láser cercana al IR con una eficiencia del 70%.[21][22]
Diodos emisores de luz
[editar]Debido a sus altas eficiencias cuánticas de fotoluminiscencia, las perovskitas pueden ser buenas candidatas para su uso en diodos emisores de luz (LEDs).[23] Sin embargo, la propensión a la recombinación radiativa se ha observado principalmente a temperaturas del nitrógeno líquido.
Fotoelectrolisis
[editar]En septiembre de 2014, investigadores de la EPFL en Lausana (Suiza), informaron que habían logrado la electrólisis del agua con una eficiencia del 12,3% en una célula de escisión de agua altamente eficiente y de bajo costo utilizando fotovoltaicas de perovskita.[24][25]
Véase también
[editar]- Celda de yunque de diamante
- Post-perovskita
- Espinela
- Factor de tolerancia Goldschmidt
- Fase de Ruddlesden-Popper
Ejemplos de perovskitas
[editar]- Sencillas:
- Manganita de estroncio de lantano
- LSAT (aluminato de lantano - tantalato de estroncio y aluminio)
- Titanato de escandio de plomo
- Titanato de zirconato de plomo
Notas
[editar]- ↑
- ↑ a b c Wenk, Hans-Rudolf; Bulakh, Andrei (2004). Minerals: Their Constitution and Origin. New York, NY: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-52958-7.
- ↑ Bridgemanite on Mindat.org
- ↑ John Lloyd; John Mitchinson. «What's the commonest material in the world». QI: The Book of General Ignorance. Faber & Faber. ISBN 0-571-23368-6.
- ↑ F. Nestola, N. Korolev, M. Kopylova, N. Rotiroti, D. G. Pearson, M. G. Pamato, M. Alvaro, L. Peruzzo, J. J. Gurney, A. E. Moore, J. Davidson. CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle. Nature, 2018; 555 (7695): 237.
- ↑ Kulkarni, A; FT Ciacchi; S Giddey; C Munnings et al. (2012). «Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells». International Journal of Hydrogen Energy 37 (24): 19092-19102. doi:10.1016/j.ijhydene.2012.09.141.
- ↑ J. M. D. Coey; M. Viret; S. von Molnar (1999). «Mixed-valence manganites». Advances in Physics 48 (2): 167-293. Bibcode:1999AdPhy..48..167C. doi:10.1080/000187399243455.
- ↑ Alexandra Witze (2010). «Building a cheaper catalyst». Science News Web Edition.
- ↑ Lufaso, Michael W.; Woodward, Patrick M. (2004). «Jahn–Teller distortions, cation ordering and octahedral tilting in perovskites». Acta Crystallographica Section B 60: 10. doi:10.1107/S0108768103026661.
- ↑ Eames, Christopher; Frost, Jarvist M.; Barnes, Piers R. F.; o'Regan, Brian C.; Walsh, Aron; Islam, M. Saiful (2015). «Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells». Nature Communications 6: 7497. Bibcode:2015NatCo...6E7497E. PMC 4491179. PMID 26105623. doi:10.1038/ncomms8497.
- ↑ Bullis, Kevin (8 de agosto de 2013). «A Material That Could Make Solar Power "Dirt Cheap"». MIT Technology Review. Archivado desde el original el 1 de julio de 2019. Consultado el 8 de agosto de 2013.
- ↑ a b Li, Hangqian. (2016). «A modified sequential deposition method for fabrication of perovskite solar cells». Solar Energy 126: 243-251. doi:10.1016/j.solener.2015.12.045.
- ↑ Cartwright, Jon (11 de septiembre de 2013). «A Flat-Out Major Advance for an Emerging Solar Cell Technology». Science (journal).
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- ↑ Lotsch, B.V. (2014). «New Light on an Old Story: Perovskites Go Solar». Angew. Chem. Int. Ed. 53 (3): 635-637. doi:10.1002/anie.201309368.
- ↑ Service, R. (2013). «Turning Up the Light». Science 342 (6160): 794-797. doi:10.1126/science.342.6160.794.
- ↑ «Copia archivada». Archivado desde el original el 16 de abril de 2017. Consultado el 6 de marzo de 2017.
- ↑ a b c d Hodes, G. (2013). «Perovskite-Based Solar Cells». Science 342 (6156): 317-318. Bibcode:2013Sci...342..317H. PMID 24136955. doi:10.1126/science.1245473.
- ↑ Liu, M.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. (2013). «Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition». Nature 501 (7467): 395-8. Bibcode:2013Natur.501..395L. PMID 24025775. doi:10.1038/nature12509.
- ↑ Dereń, P. J.; Bednarkiewicz, A.; Goldner, Ph.; Guillot-Noël, O. (2008). «Laser action in LaAlO3:Nd3+ single crystal». Journal of Applied Physics 103 (4): 043102. Bibcode:2008JAP...103d3102D. doi:10.1063/1.2842399.
- ↑ Wallace, John (28 March 2014) High-efficiency perovskite photovoltaic material also lases. LaserFocusWorld
- ↑ «Study: Perovskite solar cells can double as lasers». Rdmag.com. 28 de marzo de 2014. Consultado el 24 de agosto de 2014.
- ↑ Stranks, Samuel D.; Snaith, Henry J. (1 de mayo de 2015). «Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices». Nature Nanotechnology (en inglés) 10 (5): 391-402. ISSN 1748-3387. doi:10.1038/nnano.2015.90.
- ↑ Jingshan Luo (26 de septiembre de 2014). «Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts». Science 345 (6204): 1593-1596. Bibcode:2014Sci...345.1593L. PMID 25258076. doi:10.1126/science.1258307.
- ↑ «Harvesting hydrogen fuel from the Sun using Earth-abundant materials». Phys.org. 25 de septiembre de 2014. Consultado el 26 de septiembre de 2014.
Referencias
[editar]- Esta obra contiene una traducción derivada de «Perovskite (structure)» de Wikipedia en inglés, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Bibliografía
[editar]- Tejuca, Luis G (1993). Properties and applications of perovskite-type oxides. New York: Dekker. p. 382. ISBN 0-8247-8786-2.
- Mitchell, Roger H (2002). Perovskites modern and ancient. Thunder Bay, Ontario: Almaz Press. p. 318. ISBN 0-9689411-0-9.
Enlaces externos
[editar]- «Cubic Perovskite Structure». Center for Computational Materials Science. U.S. Naval Research Laboratory. Archivado desde el original el 8 de octubre de 2008. (Incluye un applet de JAVA con el que la estructura se puede rotar interactivamente
- Halogenuro, haluro o halida de metilamonio (en inglés)