Las nuevas células solares de perovskita

Las nuevas células solares de perovskita totalmente inorgánicas abordan tres desafíos clave en la tecnología de células solares: eficiencia, estabilidad y costo.

Aprovechar la energía del sol, que emite una energía inmensamente poderosa desde el centro del sistema solar, es uno de los objetivos clave para lograr un suministro de energía sostenible.

La energía de la luz se puede convertir directamente en electricidad usando dispositivos eléctricos llamados células solares. Hasta la fecha, la mayoría de las células solares están hechas de silicio, un material que absorbe la luz muy bien. Pero los paneles de silicio son caros de producir.

Los científicos han estado trabajando en una alternativa, hecha de estructuras de perovskita. La verdadera perovskita, un mineral que se encuentra en la tierra, está compuesta de calcio, titanio y oxígeno en una disposición molecular específica. Los materiales con esa misma estructura cristalina se llaman estructuras de perovskita.

Las estructuras de perovskita funcionan bien como la capa activa de captación de luz de una célula solar porque absorben la luz de manera eficiente pero son mucho más económicas que el silicio. También se pueden integrar en dispositivos que usan equipos relativamente simples. Por ejemplo, pueden disolverse en solvente y recubrirse por pulverización directamente sobre el sustrato.

Los materiales hechos a partir de estructuras de perovskita podrían potencialmente revolucionar los dispositivos de células solares, pero tienen un grave inconveniente: a menudo son muy inestables y se deterioran al exponerse al calor. Esto ha obstaculizado su potencial comercial.

La Unidad de Materiales de Energía y Ciencias de la Superficie del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), dirigida por el Prof. Yabing Qi, ha desarrollado dispositivos que utilizan un nuevo material de perovskita que es estable, eficiente y relativamente barato de producir, allanando el camino para su uso en las células solares del mañana. Su trabajo fue publicado recientemente en Advanced Energy Materials. Los investigadores postdoctorales Dr. Jia Liang y Dr. Zonghao Liu hicieron importantes contribuciones a este trabajo.

Este material tiene varias características clave. En primer lugar, es completamente inorgánico, un cambio importante, porque los componentes orgánicos generalmente no son termoestables y se degradan bajo el calor. Dado que las células solares pueden calentarse mucho al sol, la estabilidad térmica es crucial. Al reemplazar las partes orgánicas con materiales inorgánicos, los investigadores hicieron que las células solares de perovskita fueran mucho más estables.

"Las células solares casi no se modifican después de la exposición a la luz durante 300 horas", dice el Dr. Zonghao Liu, autor del artículo.

Sin embargo, las células solares de perovskita inorgánicas tienden a tener una absorción de luz menor que los híbridos orgánico-inorgánicos. Aquí es donde aparece la segunda característica: los investigadores del OIST doparon sus nuevas células con manganeso para mejorar su rendimiento. El manganeso cambia la estructura cristalina del material, aumentando su capacidad de recolección ligera.

"Al igual que cuando se agrega sal a un plato para cambiar su sabor, cuando agregamos manganeso, cambia las propiedades de la célula solar", dice Liu.

En tercer lugar, en estas células solares, los electrodos que transportan la corriente entre las células solares y los cables externos están hechos de carbono, en lugar del oro habitual. Dichos electrodos son significativamente más baratos y fáciles de producir, en parte porque se pueden imprimir directamente en las células solares. La fabricación de electrodos de oro, por otro lado, requiere altas temperaturas y equipos especializados, como una cámara de vacío.

Aún quedan varios desafíos por superar antes de que las células solares de perovskita se vuelvan comercialmente viables como las células solares de silicio. Por ejemplo, mientras que las células solares de perovskita pueden durar uno o dos años, las células solares de silicio pueden funcionar durante 20 años.

Qi y sus colegas continúan trabajando en la eficiencia y durabilidad de estas nuevas células, y también están desarrollando el proceso de fabricación a escala comercial. Dado lo rápido que se ha desarrollado la tecnología desde que se informó la primera célula solar de perovskita en 2009, el futuro de estas nuevas células parece brillante.