Avances en las células de la próxima generación de paneles solares

Las perovskitas, con sus estructuras cristalinas y sus prometedoras propiedades electro-ópticas, podrían ser el ingrediente activo que haga posible la próxima generación de células solares de bajo coste, eficientes, ligeras y flexibles, dando lugar a paneles solares más rentables y económicos, democratizando así la energía solar para todos los potenciales usuarios.

Un problema de la actual generación de células solares de silicio es su relativamente baja eficiencia en la conversión de la energía solar en electricidad, afirmó Vikram Dalal, profesor de la Universidad Estatal de Iowa, y director del Centro de Investigación de Microelectrónica del Estado de Iowa.

Las mejores células solares de silicio en el laboratorio tienen una eficiencia de alrededor del 26%, mientras que las células comerciales alcanzan alrededor del 15%. Eso significa que se necesitan sistemas más grandes para producir una determinada cantidad de electricidad, y sistemas más grandes significan mayores costos.

Eso tiene a los investigadores buscando nuevas formas de aumentar la eficiencia y disminuir los costos. Una idea que podría aumentar la eficiencia hasta en un 50% es una estructura en tándem que apila dos tipos de células una encima de la otra, cada una usando partes diferentes y complementarias del espectro solar para producir energía.

Los investigadores han comenzado recientemente a buscar materiales híbridos de perovskita orgánico-inorgánicos, como buenos compañeros para el tándem con las células de silicio. Las llamadas perovskitas tienen tasas de eficiencia cercanas al 25%, tienen una banda prohibida complementaria, pueden ser muy delgadas (sólo una millonésima parte de un metro) y pueden ser fácilmente depositadas sobre el silicio.

Pero Dalal dijo que los investigadores han averiguado que esas células solares híbridas de perovskita se descomponen cuando son expuestas a altas temperaturas.

Célula solar de perovskita ideada por ingenieros de la universidad estatal de Iowa. (Foto: Harshavardhan Gaonkar/Iowa State University)

Eso es un problema cuando tratas de orientar paneles solares hacia donde está el sol en desiertos calientes y secos en lugares como el suroeste americano, Australia, el Medio Oriente y la India. Las temperaturas ambientales en estos lugares pueden alcanzar los 49 a 54 grados Celsius y las temperaturas de las células solares pueden alcanzar los 93 grados Celsius.

Los ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa, en un proyecto parcialmente apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, han encontrado una forma de aprovechar las útiles propiedades de la perovskita y al mismo tiempo estabilizar las células a altas temperaturas. Describen su descubrimiento en un artículo recientemente publicado en la revista científica Applied Energy Materials, de la American Chemical Society.

“Son resultados prometedores en la búsqueda de la comercialización de materiales para células solares de perovskita en paneles solares, y un futuro más limpio y verde”, dijo Harshavardhan Gaonkar, el primer autor del artículo que recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica e informática en el estado de Iowa y que ahora trabaja en Boise, Idaho, como ingeniero de la empresa ON Semiconductor.

Dalal, el autor del artículo, dijo que hay dos desarrollos clave en la nueva tecnología de células solares:

Primero, que los ingenieros hicieron algunos ajustes en la composición del material de la perovskita. Eliminaron los componentes orgánicos del material, en particular los cationes, los materiales con protones adicionales y una carga positiva, y sustituyeron los materiales inorgánicos como el cesio. Eso hizo que el material fuera estable a temperaturas más altas.

Y en segundo lugar, desarrollaron una técnica de fabricación que construye el material de la perovskita de fina capa – solo unas mil millonésimas de metro – en fina capa. Esta técnica de deposición de vapor es consistente, no deja contaminantes, y ya se utiliza en otras industrias, por lo que se puede ampliar para la producción comercial.

“Nuestras células solares de perovskita no muestran degradación térmica incluso a 200 grados centígrados durante más de tres días, temperaturas muy superiores a las que la célula solar tendría que soportar en entornos del mundo real”, dijo Gaonkar.

Y luego Dalal hizo un poco de comparación y contraste: “Eso es mucho mejor que las células de perovskita orgánicas-inorgánicas, que se habrían descompuesto totalmente a esta temperatura. Así que esto es un gran avance en el campo”.

El documento informa que las nuevas células solares inorgánicas de perovskita tienen una eficiencia de fotoconversión del 11,8%. Eso significa que queda más trabajo por delante para los ingenieros.

“Ahora estamos tratando de optimizar esta célula, queremos hacerla más eficiente en la conversión de la energía solar en electricidad”, dijo Dalal. “Todavía tenemos mucha investigación por hacer, pero creemos que podemos llegar allí utilizando nuevas combinaciones de materiales”. Ello permitiría obtener paneles solares de gran rendimiento.

Los ingenieros, por ejemplo, sustituyeron el yodo común en los materiales de perovskita por bromo. Eso hizo que las células fueran mucho menos sensibles a la humedad, resolviendo otro problema con las perovskitas híbridas estándar. Pero, esa sustitución cambió las propiedades de las células, reduciendo la eficiencia y lo bien que funcionan en conjunto con las células de silicio.

Así que los ajustes y pruebas continuarán.

A medida que avanzan, los ingenieros creen que están en el camino adecuado: “Este estudio demuestra una estabilidad térmica más robusta de los materiales inorgánicos de la perovskita y de las células solares a temperaturas más altas y durante períodos de tiempo más largos que lo que se ha informado en otros lugares”, escribieron en su artículo. “Son resultados prometedores en la búsqueda de la comercialización de materiales de células solares de perovskita para paneles solares”. (Fuente: NCYT Amazings)

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