Perovskita, el material para hacer paneles solares más eficientes

Es química e investigadora del CONICET en la CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica). Se especializa en diseño y síntesis de nanomateriales aplicados a nuevas tecnologías fotovoltaicas

A nivel global, la mayoría de los paneles solares disponibles hoy en el mercado son de células fotovoltaicas de silicio. Sin embargo, investigadores de todo el mundo buscan alternativas que permitan, en algunas aplicaciones, reemplazar ese material. La gran pregunta es: ¿cómo fabricar celdas solares más baratas y eficientes?

Con perovskita. Es un mineral descubierto en 1839 por el geólogo alemán Gustav Rose. Su nombre es un homenaje al experto ruso en minerales Lev Perovski. En los últimos seis años se ha convertido en un material "prometedor" que permitirá crear celdas solares de forma más rápida (con menos pasos), entre otras virtudes. En la Argentina, diferentes científicos ya lo están estudiando.

En el marco de la segunda edición de Laboflash, flash de noticias de laboratorios de la UNSAM (Universidad Nacional de San Martín), destacados investigadores de la universidad expusieron su especialidad con un enfoque noticioso. Entre ellos, se destacó la científica María Dolores Pérez, quien no solo estudia la perovskita sino que trabaja en un laboratorio de la Argentina donde desarrollan, en el día, prototipos de celdas solares de ese material.

Dolores Pérez, científica argentina que estudia y desarrolla celdas solares de perovskita

Pérez es docente de UNSAM e investigadora del CONICET en la CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica). Se especializa en diseño y síntesis de nanomateriales aplicados a nuevas tecnologías fotovoltaicas. Sus investigaciones se centran en la aplicación de perovskitas híbridas en la fabricación de celdas solares.

La perovskita promete ser el material del futuro para fabricar paneles solares. Durante una charla con Infobae, Pérez brindó especificaciones y explicó cómo es su eficiencia y cuáles serán sus posibles aplicaciones.

—¿Qué son las perovskitas?

—Las perovskitas en sí mismas son un material. Son cerámicos, pero lo novedoso es que se ha encontrado un tipo especial de perovskita que se aplica en celdas solares.

Perovskitas

—¿Es un mineral?

—Sí, es un tipo de estructura cristalina. Las perovskitas son, esencialmente, un tipo de mineral. Sin embargo, las que sirven para energía solar no se obtienen naturalmente sino que se sintetizan químicamente. Los compuestos y las combinaciones de sustancia que se mezclen darán estas perovskitas, que pueden absorber luz visible, del sol, y transformarla en corriente eléctrica. Esto comenzó en el 2012, las eficiencias empezaron a escalar rápidamente y ya ahora, hasta fines del año pasado, llegaron rápidamente a cerca del 22,7% de eficiencia energética.

—¿Qué significa eso?

—Las celdas solares tradicionales son de silicio, o sea, las que estamos acostumbrados a ver en las plantas solares o en los techos, por ejemplo. El récord de eficiencia de celdas de silicio está en 25%, y éstas, en seis años, llegaron al 22,7%. Los paneles de silicio que se compran para poner en los techos están en el 12%. Hay mucho que optimizar para llevar a las perovskitas al mercado. Al silicio le llevó cuatro décadas llegar al 25%.

—¿Qué diferencias existen entre las celdas solares de perovskita, las de  compuestos orgánicos y las de silicio?

—Cualquier cosa que absorbe luz está absorbiendo energía. Luego, dependerá del material cómo use esa energía. Entonces, muchos estudiamos cómo encontrar qué tipo de colorantes podía absorber esa energía para convertirla en electricidad, qué combinación de colorantes se puede obtener. En toda esta rama de celdas solares con compuestos orgánicos, con pigmentos, las eficiencias no eran muy buenas. Si bien en poco tiempo aumentaron bastante, una vez que llegó el boom de las perovskitas, todos los que hacíamos orgánico nos pasamos a perovskitas. La verdad es que es un material muy prometedor. Para hacer los paneles de silicio, paneles muy pesados, hay que ir a la mina de cuarzo, extraerlo, procesarlo, purificarlo y después hacer la celda solar. Es un proceso muy caro.

—¿Cuáles son las virtudes de las celdas solares con perovskitas?

—Todo comienza en reactivos químicos, que se mezclan, se hace la película, con temperaturas no muy elevadas, 100 grados. Insumen menos energía. Las materias primas son muy abundantes y es más simple de trabajar, tienen menos pasos de procesamiento, lleva menos tiempo.

—¿Cuándo comenzó a investigar este material?

—Yo estudié Quimica en la UBA, hice mi doctorado en Estados Unidos (Southern California University). Mi ideal siempre fue poder aplicar la química a energías renovables. Entonces, me fui a hacer el doctorado, aplicando tintes, colorantes, para crear celdas solares. Hacía celdas solares orgánicas. Hace poco más de un año que comenzamos a estudiar las perovskitas, no podíamos quedar atrás. Aprendimos a conocer los métodos de preparación y fabricación. Y ahora tenemos avances de eficiencia, estamos en el 14%, que para nosotros es muy bueno. Todo este año fue para hacer celdas que funcionen, conocer el sistema, estudiar las propiedades, caracterizar los materiales, medir.

—¿Cómo es el trabajo de investigación y desarrollo de las celdas solares de perovskitas?

—Los chicos (son cuatro científicos) van al laboratorio un día, preparan las celdas y a la tarde ya están midiendo. Y las miden días subsiguientes. Cada vez que ellos van al laboratorio, preparan celdas solares. Si alguien quiere hacer una celda de silicio, no lo puede hacer en una tarde. Lleva un montón de procesos súper energéticos, equipamientos muy caros. Nosotros no los tenemos. Y tenemos un clima que no es favorable. Estas celdas se degradan con la humedad. Cuando hacemos la síntesis de la perovskista, si tenemos mucha humedad, estamos yendo en contra de lo que es la reacción que queremos. Pero logramos adaptar la síntesis de la perovskita para las condiciones ambientales en las que estamos en Buenos Aires.

—¿Qué sucede a nivel global con las investigaciones de celdas de perovskitas?

—Está en etapa de investigación, tiene cinco o seis años. Como ha dado tan buenos resultados se estipula que, en el mediano plazo, ya va a entrar en el mercado. Hay algunas empresas que están tratando de sacar prototipos, como Oxford PV, Saule Technologies y Toshiba. Pero todavía no existe uno para vender. Y en la Argentina no hay industria fotovoltaica, lo que hay son instalaciones.

—¿El costo de las placas solares de perovskita será más accesible que las placas de silicio?

—Sí, aunque todas las tecnologías tienen siempre esa curva de aprendizaje donde, al principio, son mucho más caras y después, a medida que la tecnología madura, los costos bajan. Con las celdas solares de silicio fue así y hoy están mucho más baratas que hace cinco o diez años. Entonces, no es solo la tecnología en sí misma sino el mercado y la capacidad instalada, eso define los precios también.

—A simple vista, ¿son distintas las placas de perovskitas que las de silicio?

—Sí. Además con la perosvskita se pueden pensar distintas aplicaciones. Primero, son películas mucho más delgadas, así que es posible aplicarlas sobre sustratos flexibles. Hay toda una rama de personas trabajando sobre celdas flexibles de perovskita.

Estudios de la eficiencia de celdas solares de perovskita, por el equipo de la científica Dolores Pérez

—¿Dónde se podrían aplicar?

—En dispositivos de consumo, indumentaria o en las cortinas, en blackouts, en ventanas… Las perovskitas se pueden trabajar con distintos colores. Se podría aplicar un determinado color para las fachadas de los edificios, para hacerlos más lindos, ¿no? Entonces, hacés un edificio agradable estéticamente porque son celdas coloreadas, y también estás generando energía. Además de ser flexibles, son mucho más livianas. Se podrían hacer mediasombras que cubran un estacionamiento con celdas solares. Podría pensar aplicaciones muy distintas a las de las celdas solares que usan ahora. Yo no lo veo tanto en una planta solar donde se cubren grandes extensiones de tierra. Lo pienso más como un consumible, una celda solar económica.

—¿Qué durabilidad tendrán?

—Tal vez no duren 25 años como las celdas de silicio, tal vez duren diez o cinco. Pero, de pronto, tenés una celda que en cinco o diez años la irás cambiando.

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.