Células Solares de Perovskita que Resisten el Calor

Dado que la sostenibilidad global y las megatendencias de la energía limpia influyen en la forma en que abordamos las estrategias energéticas para lograr un futuro más sustentable para el planeta, las tecnologías renovables, como la eólica y la solar, son las principales áreas de interés para la investigación.

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En el ámbito de la tecnología solar, el campo emergente de las células solares de perovskita (perovskite solar cells, PSC) ha ganado popularidad en la última década y media.

Sin embargo, en un campo dominado por las células solares de silicio, la tecnología relativamente nueva de las células solares de perovskita debe, además de ofrecer alta eficacia de conversión de potencia (power conversion efficiencies, PCE), cumplir otros dos requisitos fundamentales para comercializarse con éxito: estabilidad y escalabilidad.

En un artículo publicado recientemente en Science, los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdalá (King Abdullah University of Science and Technology, KAUST) informaron de un hito importante, gracias a la primera prueba exitosa de calor húmedo de las PSC.

La prueba de calor húmedo es una prueba de envejecimiento ambiental acelerado y riguroso cuyo objetivo es determinar la capacidad de los paneles solares para soportar una exposición prolongada a una alta penetración de humedad y a temperaturas elevadas. La prueba se realiza durante 1000 horas en un entorno controlado de 85 % de humedad y 85 °C. Su objetivo es reproducir varios años de exposición a la intemperie y evaluar factores como la corrosión y la deslaminación.

Superación de la prueba

La dificultad de la prueba está en consonancia con los requisitos de comercialización que establecen que la tecnología fotovoltaica (photovoltaic, PV) debe cubrir de 25 a 30 años de garantía para los módulos convencionales de silicio cristalino. Para superar la prueba, la célula solar debe mantener el 95 % de su rendimiento inicial.

Dirigida por Randi Azmi, becario posdoctoral del Laboratorio de fotovoltaica de la KAUST, Stefaan De Wolf, su investigación tuvo que superar una debilidad persistente en las PSC encapsuladas para evitar la fuga del embalaje. Esta vulnerabilidad de las películas de perovskita en 3D es la que permite la infiltración no deseada de agentes atmosféricos y ofrece una resistencia limitada al calor. La solución encontrada por los investigadores de la KAUST es la ingeniería e introducción de capas de pasivación de perovskita 2D para mejorar simultáneamente la eficacia de conversión de energía y la vida útil de las PSC.

¿Pueden las perovskitas sustituir al silicio?

La especificidad de las perovskitas es que se trata de una tecnología de película delgada. Como en el caso de las células solares convencionales, siguen siendo necesarios dos contactos fabricados con tipos de materiales específicos. Uno captará los electrones y el otro tendrá la función de captar los “agujeros” cargados positivamente, que representan la ausencia de electrones. Pero, a diferencia de las obleas de silicio, las perovskitas pueden recubrirse directamente sobre un sustrato de vidrio, utilizando una solución precursora. La solución se hace con un disolvente que se cristaliza en estado sólido.

Una de las ventajas significativas es que los materiales precursores pueden fabricarse sin necesidad de costosas instalaciones ni de entornos con un alto consumo de energía de más de 1000 grados, lo que es típico de los semiconductores más tradicionales, como el silicio.

“Es una forma muy sencilla de fabricar células solares. Además, aunque las propiedades optoelectrónicas no son únicas, son excelentes. Están a la altura de los semiconductores tradicionales de muy alta calidad. Eso es algo extraordinario”, explicó De Wolf. Si se modifica la composición, también es posible ajustar la sensibilidad espectral en todo el espectro de luz solar, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. Esto resulta muy atractivo para determinadas aplicaciones.

El desafío que queda por delante, después del rendimiento y la estabilidad, es la escalabilidad. La mayoría de las aplicaciones de células solares se centran en los sectores de servicios públicos y en los paneles para techos.

“El mercado se basa en el silicio y esto seguirá siendo así durante los próximos 20 años como mínimo”, afirmó De Wolf. “Por ello, nos centramos principalmente en mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita para desarrollar soluciones en tándem más eficaces que combinen el silicio tradicional y la perovskita, y los hallazgos actuales ayudarán mucho a aumentar la fiabilidad de dichas células solares en tándem de perovskita/silicio”.