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2022-07-16Explicado: por qué las perovskitas podrían llevar las células solares a nuevas alturas

MIT |Esta familia de compuestos cristalinos está a la vanguardia de la investigación que busca alternativas al silicio.

Las perovskitas son prometedoras para crear paneles solares que podrían depositarse fácilmente en la mayoría de las superficies, incluidas las flexibles y texturizadas. Estos materiales también serían livianos, baratos de producir y tan eficientes como los materiales fotovoltaicos líderes en la actualidad, que son principalmente silicio. Son objeto de una creciente investigación e inversión, pero las empresas que buscan aprovechar su potencial tienen que abordar algunos obstáculos restantes antes de que las células solares basadas en perovskita puedan ser comercialmente competitivas.

El término perovskita no se refiere a un material específico, como el silicio o el telururo de cadmio, otros contendientes principales en el ámbito fotovoltaico, sino a toda una familia de compuestos. La familia de perovskita de materiales solares recibe su nombre por su similitud estructural con un mineral llamado perovskita, que fue descubierto en 1839 y lleva el nombre del mineralogista ruso LA Perovski.

La perovskita mineral original, que es óxido de calcio y titanio (CaTiO 3 ), tiene una configuración de cristal distintiva. Tiene una estructura de tres partes, cuyos componentes han llegado a denominarse A, B y X, en los que se entrelazan celosías de los diferentes componentes. La familia de las perovskitas consta de las muchas combinaciones posibles de elementos o moléculas que pueden ocupar cada uno de los tres componentes y formar una estructura similar a la de la propia perovskita original. (Algunos investigadores incluso modifican un poco las reglas al nombrar "perovskitas" a otras estructuras cristalinas con elementos similares, aunque los cristalógrafos desaprueban esto).

“Puedes mezclar y combinar átomos y moléculas en la estructura, con algunos límites. Por ejemplo, si intenta meter una molécula demasiado grande en la estructura, la distorsionará. Eventualmente, podría hacer que el cristal 3D se separe en una estructura en capas 2D, o perder completamente la estructura ordenada”, dice Tonio Buonassisi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT y director del Laboratorio de Investigación Fotovoltaica. "Las perovskitas son altamente ajustables, como un tipo de estructura de cristal de construcción de tu propia aventura", dice.

Esa estructura de redes entrelazadas consiste en iones o moléculas cargadas, dos de ellas (A y B) con carga positiva y la otra (X) con carga negativa. Los iones A y B suelen tener tamaños bastante diferentes, siendo el A más grande. 

Dentro de la categoría general de perovskitas, hay varios tipos, incluidas las perovskitas de óxido metálico, que han encontrado aplicaciones en catálisis y en almacenamiento y conversión de energía, como en celdas de combustible y baterías de metal-aire. Pero un enfoque principal de la actividad de investigación durante más de una década ha sido las perovskitas de haluro de plomo, según dice Buonassisi.

Dentro de esa categoría, todavía hay una legión de posibilidades, y los laboratorios de todo el mundo están compitiendo en el tedioso trabajo de tratar de encontrar las variaciones que muestren el mejor rendimiento en eficiencia, costo y durabilidad, que hasta ahora ha sido el más desafiante. de los tres.

Muchos equipos también se han centrado en variaciones que eliminan el uso de plomo, para evitar su impacto ambiental. Buonassisi señala, sin embargo, que "consistentemente con el tiempo, los dispositivos basados ​​en plomo continúan mejorando en su rendimiento, y ninguna de las otras composiciones se acercó en términos de rendimiento electrónico". Se continúa trabajando en la exploración de alternativas, pero por ahora ninguna puede competir con las versiones de haluro de plomo.

Una de las grandes ventajas que ofrecen las perovskitas es su gran tolerancia a los defectos en la estructura, dice. A diferencia del silicio, que requiere una pureza extremadamente alta para funcionar bien en los dispositivos electrónicos, las perovskitas pueden funcionar bien incluso con numerosas imperfecciones e impurezas.

La búsqueda de nuevas composiciones candidatas prometedoras para las perovskitas es un poco como buscar una aguja en un pajar, pero recientemente los investigadores han ideado un sistema de aprendizaje automático que puede agilizar en gran medida este proceso. Este nuevo enfoque podría conducir a un desarrollo mucho más rápido de nuevas alternativas, dice Buonassisi, quien fue coautor de esa investigación.

Si bien las perovskitas siguen siendo muy prometedoras y varias empresas ya se están preparando para comenzar la producción comercial, la durabilidad sigue siendo el mayor obstáculo al que se enfrentan. Mientras que los paneles solares de silicio retienen hasta el 90 por ciento de su potencia de salida después de 25 años, las perovskitas se degradan mucho más rápido. Se ha logrado un gran progreso: las muestras iniciales duraron solo unas pocas horas, luego semanas o meses, pero las formulaciones más nuevas tienen una vida útil de hasta unos pocos años, adecuadas para algunas aplicaciones donde la longevidad no es esencial.

Desd una perspectiva de investigación, dice Buonassisi, una ventaja de las perovskitas es que son relativamente fáciles de fabricar en el laboratorio: los componentes químicos se ensamblan fácilmente. Pero esa también es su desventaja: “El material se une muy fácilmente a temperatura ambiente”, dice, “pero también se separa muy fácilmente a temperatura ambiente. ¡Lo que fácil viene, fácil se va!"

Para lidiar con ese problema, la mayoría de los investigadores se enfocan en usar varios tipos de materiales protectores para encapsular la perovskita, protegiéndola de la exposición al aire y la humedad. Pero otros están estudiando los mecanismos exactos que conducen a esa degradación, con la esperanza de encontrar formulaciones o tratamientos que sean inherentemente más robustos. Un hallazgo clave es que un proceso llamado autocatálisis es en gran parte el culpable de la avería.

En la autocatálisis, tan pronto como una parte del material comienza a degradarse, sus productos de reacción actúan como catalizadores para comenzar a degradar las partes vecinas de la estructura y se inicia una reacción desbocada. Existía un problema similar en las primeras investigaciones sobre algunos otros materiales electrónicos, como los diodos orgánicos emisores de luz (OLED), y finalmente se resolvió agregando pasos de purificación adicionales a las materias primas, por lo que se puede encontrar una solución similar en el caso de perovskitas, sugiere Buonassisi.

Buonassisi y sus co-investigadores completaron recientemente un estudio que muestra que una vez que las perovskitas alcanzan una vida útil de al menos una década, gracias a su costo inicial mucho más bajo, serían suficientes para hacerlas económicamente viables como sustituto del silicio en grandes empresas de servicios públicos. granjas solares a escala.

En general, el progreso en el desarrollo de perovskitas ha sido impresionante y alentador, dice. Con solo unos pocos años de trabajo, ya ha logrado eficiencias comparables a los niveles que el telururo de cadmio (CdTe), “que existe desde hace mucho más tiempo, todavía está luchando por alcanzar”, dice. “La facilidad con la que se alcanzan estos rendimientos más altos en este nuevo material es casi asombrosa”. Comparando la cantidad de tiempo de investigación dedicado a lograr una mejora del 1 por ciento en la eficiencia, dice, el progreso en perovskitas ha sido entre 100 y 1000 veces más rápido que en CdTe. “Esa es una de las razones por las que es tan emocionante”, dice.

MIT
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MIT

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