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2021-03-01Los investigadores mejoran la eficiencia del material de las células solares de nueva generación

MIT |La reducción de las pérdidas internas podría allanar el camino hacia una energía fotovoltaica de bajo coste basada en la perovskita que iguale la producción de las células de silicio.

Las perovskitas son uno de los principales candidatos a sustituir al silicio como material preferido para los paneles solares. Ofrecen la posibilidad de fabricar células flexibles ultrafinas y ligeras a bajo coste y baja temperatura, pero hasta ahora su eficacia para convertir la luz solar en electricidad ha sido inferior a la del silicio y otras alternativas.

Ahora, un nuevo enfoque en el diseño de las células de perovskita ha llevado al material a igualar o superar la eficiencia de la célula de silicio típica actual, que suele oscilar entre el 20 y el 22%, sentando las bases para nuevas mejoras.

Al añadir una capa conductora de dióxido de estaño especialmente tratada y unida al material de perovskita, que proporciona una vía mejorada para los portadores de carga en la célula, y al modificar la fórmula de la perovskita, los investigadores han aumentado su eficiencia global como célula solar hasta el 25,2%, un récord para este tipo de materiales, que eclipsa la eficiencia de muchos paneles solares existentes. (Sin embargo, las perovskitas siguen estando muy por debajo de la longevidad del silicio, un reto en el que están trabajando equipos de todo el mundo).

Los hallazgos se describen en un artículo publicado en la revista Nature por el recién graduado del MIT Jason Yoo PhD ´20, el profesor de química y profesor Lester Wolfe Moungi Bawendi, el profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y el profesor Fariborz Maseeh en tecnología emergente Vladimir Bulović, y otras 11 personas en el MIT, en Corea del Sur y en Georgia.

Las perovskitas son una amplia clase de materiales definidos por el hecho de que tienen un tipo particular de disposición molecular, o red, que se asemeja a la del mineral natural perovskita. Hay un gran número de combinaciones químicas posibles para crear perovskitas, y Yoo explica que estos materiales han despertado el interés de todo el mundo porque "al menos sobre el papel, podrían fabricarse de forma mucho más barata que el silicio o el arseniuro de galio", uno de los otros contendientes principales. Esto se debe, en parte, a que los procesos de elaboración y fabricación son mucho más sencillos, ya que para el silicio o el arseniuro de galio se requiere un calor sostenido de más de 1.000 grados centígrados. En cambio, las perovskitas pueden procesarse a menos de 200 C, ya sea en solución o por deposición de vapor.

La otra gran ventaja de la perovskita sobre el silicio o muchos otros sustitutos candidatos es que forma capas extremadamente finas sin dejar de capturar eficazmente la energía solar. "Las células de perovskita tienen el potencial de ser más ligeras que las de silicio, en órdenes de magnitud", afirma Bawendi.

Las perovskitas tienen un bandgap más alto que el del silicio, lo que significa que absorben una parte diferente del espectro luminoso y, por tanto, pueden complementar las células de silicio para proporcionar eficiencias combinadas aún mayores. Pero incluso utilizando sólo perovskita, dice Yoo, "lo que estamos demostrando es que, incluso con una sola capa activa, podemos conseguir eficiencias que amenazan al silicio y, con suerte, a poca distancia del arseniuro de galio". Y ambas tecnologías existen desde hace mucho más tiempo que las perovskitas".

Una de las claves de la mejora de la eficiencia del material, explica Bawendi, fue la ingeniería precisa de una de las capas del sándwich que compone una célula solar de perovskita: la capa de transporte de electrones. La propia perovskita tiene una capa conductora transparente que sirve para transportar la corriente eléctrica desde la célula hasta el lugar donde puede utilizarse. Sin embargo, si la capa conductora está directamente unida a la propia perovskita, los electrones y sus homólogos, llamados huecos, simplemente se recombinan en el lugar y no fluye la corriente. En el diseño de los investigadores, la perovskita y la capa conductora están separadas por un tipo mejorado de capa intermedia que puede dejar pasar a los electrones al tiempo que evita la recombinación.

Esta capa intermedia de transporte de electrones, y especialmente las interfaces donde se conecta con las capas de cada lado, suelen ser donde se producen las ineficiencias. Estudiando estos mecanismos y diseñando una capa, formada por óxido de estaño, que se ajusta más perfectamente a las adyacentes, los investigadores lograron reducir en gran medida las pérdidas.

El método que utilizan se llama deposición por baño químico. "Es como cocinar a fuego lento en una Crock-Pot", dice Bawendi. Con un baño a 90 grados centígrados, los productos químicos precursores se descomponen lentamente para formar la capa de dióxido de estaño en el lugar. "El equipo se dio cuenta de que si entendíamos los mecanismos de descomposición de estos precursores, comprenderíamos mejor cómo se forman estas películas. Pudimos encontrar la ventana adecuada en la que se puede sintetizar la capa de transporte de electrones con propiedades ideales".

Tras una serie de experimentos controlados, descubrieron que se formaban diferentes mezclas de compuestos intermedios, dependiendo de la acidez de la solución precursora. También identificaron un punto óptimo de composiciones de precursores que permitía que la reacción produjera una película mucho más eficaz.

Los investigadores combinaron estos pasos con una optimización de la propia capa de perovskita. Utilizaron una serie de aditivos en la receta de la perovskita para mejorar su estabilidad, algo que se había probado antes pero que tenía un efecto no deseado en el bandgap del material, lo que lo convertía en un absorbente de luz menos eficaz. El equipo descubrió que añadiendo cantidades mucho más pequeñas de estos aditivos -menos del 1 por ciento- podían seguir obteniendo los efectos beneficiosos sin alterar el bandgap.

La mejora resultante en la eficiencia ya ha llevado al material a más del 80 por ciento de la eficiencia máxima teórica que podrían tener estos materiales, afirma Yoo.

Aunque estas elevadas eficiencias se demostraron en diminutos dispositivos a escala de laboratorio, Bawendi afirma que "el tipo de conocimientos que aportamos en este artículo, y algunos de los trucos que proporcionamos, podrían aplicarse a los métodos que la gente está desarrollando ahora para las células de perovskita a gran escala y fabricables, y por tanto aumentar esas eficiencias".

Para seguir investigando, hay dos vías importantes, dice: seguir superando los límites de la eficiencia y centrarse en aumentar la estabilidad a largo plazo del material, que actualmente se mide en meses, en comparación con las décadas de las células de silicio. Pero para algunos fines, señala Bawendi, la longevidad puede no ser tan esencial. Muchos dispositivos electrónicos como los teléfonos móviles, por ejemplo, tienden a ser sustituidos en pocos años, así que puede haber algunas aplicaciones útiles incluso para las células solares de vida relativamente corta.

"No creo que hayamos llegado todavía a ese punto con estas células, ni siquiera para este tipo de aplicaciones a corto plazo", afirma. "Pero la gente se está acercando, así que la combinación de nuestras ideas en este trabajo con las ideas que tienen otras personas con una estabilidad cada vez mayor podría conducir a algo realmente interesante".

Robert Hoye, profesor de materiales del Imperial College de Londres, que no participó en el estudio, dice: "Es un trabajo excelente de un equipo internacional". Y añade: "Esto podría conducir a una mayor reproducibilidad y a que las excelentes eficiencias de los dispositivos logradas en el laboratorio se traduzcan en módulos comercializados". En cuanto a los hitos científicos, no sólo consiguen una eficiencia que fue el récord certificado para las células solares de perovskita durante gran parte del año pasado, sino que también logran voltajes en circuito abierto de hasta el 97 por ciento del límite radiativo. Se trata de un logro asombroso para las células solares cultivadas a partir de una solución".

En el equipo participaron investigadores del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan y Georgia Tech. El trabajo contó con el apoyo del Instituto de Nanotecnología para Soldados del MIT, la NASA, la empresa italiana Eni SpA a través de la Iniciativa de Energía del MIT, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología.


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