Un camino hacia células solares de perovskitas flexibles más baratas

Los investigadores han informado sobre nuevos hallazgos sobre las células solares de perovskita que podrían abrir el camino hacia dispositivos que funcionen mejor.



Perovskitas. Un investigador de Georgia Tech posee una célula solar basada en perovskita, que es flexible y más liviana que las versiones basadas en silicona
Perovskitas. Un investigador de Georgia Tech posee una célula solar basada en perovskita, que es flexible y más liviana que las versiones basadas en silicona

Hay muchas cosas positivas respecto a las células solares basadas en perovskita.

Son simples y baratas de producir, ofrecen una flexibilidad que podría desbloquear una amplia gama de métodos y lugares de instalación. Y, en los últimos años han alcanzado eficiencias energéticas que se acercan a las de celdas tradicionales basadas en silicio.

Pero producir dispositivos de energía basados en perovskita que duren más de un par de meses ha sido un desafío.

Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de California en San Diego y el Instituto de Tecnología de Massachusetts han informado sobre nuevos descubrimientos sobre las células solares de perovskita. Estos descubrimiento permitirían abrir el camino hacia dispositivos que funcionen mejor.

“Las células solares de Perovskita ofrecen muchas potenciales ventajas. Son extremadamente livianas y se pueden fabricar con sustratos plásticos flexibles. Para poder competir en el mercado con células solares basadas en silicio, sin embargo, necesitan ser más eficientes”.

Juan-Pablo Correa-Baena, profesor asistente de la Escuela de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech

Las perovskitas realmente podrían cambiar el juego en energía solar

Un estudio se publicó el 8 de febrero en la revista Science. Allí los investigadores describieron con mayor detalle los mecanismos de cómo agregar el metal alcalino a las perovskitas tradicionales conduce a un mejor desempeño.

“Las perovskitas realmente podrían cambiar el juego en energía solar. Tienen el potencial de reducir los costos sin renunciar al rendimiento. Pero todavía hay mucho que aprender fundamentalmente sobre estos materiales”.

David Fenning, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego

Para entender los cristales de perovskita, es útil pensar en su estructura cristalina como una trilogía. Una parte está formada típicamente por el elemento principal. El segundo se compone típicamente de un componente orgánico como el metilamonio. Y el tercero a menudo se compone de otros haluros, como el bromo y el yodo.

Mejorar la eficiencia de las perovskitas

En los últimos años, los investigadores se han centrado en probar diferentes recetas para lograr mejores eficiencias, como agregar yodo y bromo al componente principal de la estructura. Más tarde, intentaron sustituir el cesio y el rubidio por la parte de la perovskita típicamente ocupada por moléculas orgánicas.

“Sabíamos por el trabajo anterior que la adición de cesio y rubidio a una mezcla de bromo y yodo con perovskita conduce a una mejor estabilidad y mayor rendimiento”.

Dijo Correa-Baena

Pero poco se sabía acerca de por qué agregar esos metales alcalinos mejoró el rendimiento de las perovskitas.

Para entender, los investigadores utilizaron el mapeo de rayos X de alta intensidad para examinar las perovskitas en la nanoescala.

“Al observar la composición dentro del material de perovskita, podemos ver cómo cada elemento individual desempeña un papel en la mejora del rendimiento del dispositivo”.

Yanqi (Grace) Luo, estudiante de doctorado en nanoingeniería en UC San Diego

Descubrieron que cuando se añadían el cesio y el rubidio a la perovskita mixta de bromo y yodo, provocaba que el bromo y el yodo se mezclaran de manera más homogénea. Lo que daba como resultado una eficiencia de conversión hasta un 2% más alta que los materiales sin estos aditivos.

“Encontramos que la uniformidad en la química y la estructura es lo que ayuda a que una célula solar de perovskita funcione a su máximo potencial. Cualquier heterogeneidad en esa columna vertebral es como un eslabón débil en la cadena”.

Dijo Fenning

Materiales robustos con muchas oportunidades de mejoras

Aun así, los investigadores también observaron que si bien la adición de rubidio o cesio hacía que el bromo y el yodo se volvieran más homogéneos, los metales haluros en su propio catión permanecían bastante agrupados. Creando así “zonas muertas” inactivas en la célula solar que no producen corriente.

“Esto fue sorprendente. Tener estas zonas muertas normalmente mataría una célula solar. En otros materiales, actúan como agujeros negros que absorben electrones de otras regiones y nunca los dejan ir. Por lo que se pierde corriente y voltaje.

Pero en estas perovskitas, vimos que las zonas muertas alrededor de rubidio y cesio no eran demasiado perjudiciales para el rendimiento de las células solares. Aunque había algunas pérdidas actuales. Esto muestra cuán robustos son estos materiales. Pero a la vez, que hay aún más oportunidades de mejora”.

Dijo Fenning

Los hallazgos se suman a la comprensión de cómo funcionan los dispositivos basados en perovskita en la nanoescala y podrían sentar las bases para futuras mejoras.

“Estos materiales prometen ser muy rentables y de alto rendimiento. Que es prácticamente lo que necesitamos para asegurarnos de que los paneles fotovoltaicos se desplieguen ampliamente. Queremos tratar de compensar los problemas del cambio climático, por lo que la idea es tener células fotovoltaicas que sean lo más baratas posible”.

Dijo Correa-Baena

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