Células solares mucho mas livianas y económicas

Las perovskitas, una amplia clase de compuestos con un tipo particular de estructura cristalina, se han considerado durante mucho tiempo como una alternativa o complemento prometedor a los paneles solares actuales de telururo de silicio o cadmio. Podrían ser mucho más livianos y económicos, y podrían recubrirse prácticamente sobre cualquier sustrato, incluido papel o plástico flexible que podría enrollarse para facilitar su transporte.

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En su eficiencia para convertir la luz solar en electricidad, las perovskitas se están volviendo comparables al silicio, cuya fabricación aún requiere procesos largos, complejos y que consumen mucha energía. Un gran inconveniente que queda es la longevidad: tienden a descomponerse en cuestión de meses o años, mientras que los paneles solares de silicio pueden durar más de dos décadas. 

Dane deQuilettes, MIT

Y su eficiencia en grandes áreas de módulos todavía está por detrás de la del silicio. Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha revelado formas de optimizar la eficiencia y controlar mejor la degradación, mediante la ingeniería de la estructura a nanoescala de los dispositivos de perovskita.

El estudio revela nuevos conocimientos sobre cómo fabricar células solares de perovskita de alta eficiencia y también proporciona nuevas direcciones para los ingenieros que trabajan para llevar estas células solares al mercado comercial. El trabajo se describe hoy en la revista Nature Energy., en un artículo de Dane deQuilettes, un reciente posdoctorado del MIT que ahora es cofundador y director científico de Optigon, una empresa derivada del MIT, junto con los profesores del MIT Vladimir Bulovic y Moungi Bawendi, y otras 10 personas en el MIT y en el estado de Washington, Reino Unido. y Corea.

«Hace diez años, si nos hubieran preguntado cuál sería la solución definitiva para el rápido desarrollo de las tecnologías solares, la respuesta habría sido algo que funciona tan bien como el silicio pero cuya fabricación es mucho más sencilla», afirma Bulovic. “Y antes de que nos diéramos cuenta, apareció el campo de la energía fotovoltaica de perovskita. Eran tan eficientes como el silicio y tan fáciles de pintar como lo es pintar sobre una hoja de papel. El resultado fue una tremenda emoción en el campo”.

Moungi Bawendi,

Vladimir-Bulovic-MIT

No obstante, «existen algunos desafíos técnicos importantes al manejar y gestionar este material en formas que nunca antes habíamos hecho», dice. Pero la promesa es tan grande que cientos de investigadores de todo el mundo han estado trabajando en esta tecnología. El nuevo estudio analiza un detalle muy pequeño pero clave: cómo “pasivar” la superficie del material, cambiando sus propiedades de tal manera que la perovskita ya no se degrade tan rápidamente ni pierda eficiencia.

«La clave es identificar la química de las interfaces, el lugar donde la perovskita se encuentra con otros materiales», dice Bulovic, refiriéndose a los lugares donde se apilan diferentes materiales junto a la perovskita para facilitar el flujo de corriente a través del dispositivo.

Los ingenieros han desarrollado métodos de pasivación, por ejemplo utilizando una solución que crea una fina capa pasivante. Pero les faltaba una comprensión detallada de cómo funciona este proceso, lo cual es esencial para seguir avanzando en la búsqueda de mejores recubrimientos. El nuevo estudio «abordó la capacidad de pasivar esas interfaces y dilucidar la física y la ciencia detrás de por qué esta pasivación funciona tan bien», dice Bulovic.

Intercalando trozos de perovskita entre dos espejos y estimulándolos con rayos láser, los investigadores pudieron controlar directamente el estado de giro de cuasipartículas conocidas como pares excitón-polaritón, que son híbridos de luz y materia.
Imagen: Cortesía de los investigadores.

El equipo utilizó algunos de los instrumentos más potentes disponibles en laboratorios de todo el mundo para observar las interfaces entre la capa de perovskita y otros materiales, y cómo se desarrollan, con un detalle sin precedentes. Este examen minucioso del proceso de recubrimiento de pasivación y sus efectos dio como resultado «la hoja de ruta más clara hasta el momento sobre lo que podemos hacer para ajustar la alineación de energía en las interfaces de las perovskitas y los materiales vecinos» y así mejorar su rendimiento general, Bulovic dice.

Si bien la mayor parte del material de perovskita tiene la forma de una red cristalina de átomos perfectamente ordenada, este orden se rompe en la superficie. Puede haber átomos adicionales sobresaliendo o espacios vacíos donde faltan átomos, y estos defectos causan pérdidas en la eficiencia del material. Ahí es donde entra en juego la necesidad de pasivación.

«Este artículo básicamente revela una guía sobre cómo ajustar las superficies, donde se encuentran muchos de estos defectos, para garantizar que no se pierda energía en las superficies», dice deQuilettes. «Es realmente un gran descubrimiento para este campo», afirma. «Este es el primer artículo que demuestra cómo controlar y diseñar sistemáticamente campos de superficie en

PEROVSKITA , células solares de bajo coste
LAS PROPIEDADES FOTOVOLTAICAS DE ESTE REVOLUCIONARIO MATERIAL PERMITEN ACARICIAR EL VIEJO SUEÑO DE FABRICAR PANELES SOLARES DE MAYOR RENDIMIENTO Y CONSEGUIR ELECTRICIDAD BARATA A PARTIR DEL SOL

El método de pasivación común es bañar la superficie en una solución de una sal llamada bromuro de hexilamonio, una técnica desarrollada en el MIT hace varios años por Jason Jungwan Yoo PhD ’20, coautor de este artículo, que condujo a múltiples nuevas eficiencias récord mundiales. Al hacer esto, “se forma una capa muy delgada sobre la superficie defectuosa, y esa capa delgada en realidad pasiva muy bien muchos de los defectos”, dice deQuilettes. «Y luego el bromo, que forma parte de la sal, penetra de forma controlable en la capa tridimensional». Esa penetración ayuda a evitar que los electrones pierdan energía debido a defectos en la superficie.

Estos dos efectos, producidos por un único paso de procesamiento, producen los dos cambios beneficiosos simultáneamente. «Es realmente hermoso porque normalmente hay que hacerlo en dos pasos», dice deQuilettes.

La pasivación reduce la pérdida de energía de los electrones en la superficie después de haber sido desprendidos por la luz solar. Estas pérdidas reducen la eficiencia general de la conversión de luz solar en electricidad, por lo que reducir las pérdidas aumenta la eficiencia neta de las células.

Esto podría conducir rápidamente a mejoras en la eficiencia de los materiales a la hora de convertir la luz solar en electricidad, afirma. Los recientes récords de eficiencia para una sola capa de perovskita, varios de ellos establecidos en el MIT, han oscilado entre aproximadamente el 24 y el 26 por ciento, mientras que la eficiencia teórica máxima que podría alcanzarse es de aproximadamente el 30 por ciento, según deQuilettes.

Un aumento de un pequeño porcentaje puede no parecer mucho, pero en la industria solar fotovoltaica estas mejoras son muy buscadas. «En la industria fotovoltaica del silicio, si se gana medio por ciento en eficiencia, eso equivale a cientos de millones de dólares en el mercado global», afirma. Un cambio reciente en el diseño de las celdas de silicio, que esencialmente agrega una fina capa pasivante y cambia el perfil de dopaje, proporciona una ganancia de eficiencia de aproximadamente medio punto porcentual. Como resultado, “toda la industria está cambiando y rápidamente está tratando de presionar para llegar allí”. La eficiencia general de las células solares de silicio sólo ha experimentado mejoras incrementales muy pequeñas durante los últimos 30 años, afirma.

Las eficiencias récord de las perovskitas se han establecido en su mayoría en entornos de laboratorio controlados con pequeñas muestras del material del tamaño de un sello postal. “Traducir una eficiencia récord a escala comercial lleva mucho tiempo”, afirma deQuilettes. «Otra gran esperanza es que con esta comprensión, la gente podrá diseñar mejor grandes áreas para tener estos efectos pasivadores».

Hay cientos de tipos diferentes de sales pasivantes y muchos tipos diferentes de perovskitas, por lo que la comprensión básica del proceso de pasivación proporcionada por este nuevo trabajo podría ayudar a guiar a los investigadores a encontrar combinaciones de materiales aún mejores, sugieren los investigadores. «Hay muchas formas diferentes de diseñar los materiales», dice.

«Creo que estamos a las puertas de las primeras demostraciones prácticas de perovskitas en aplicaciones comerciales», afirma Bulovic. «Y esas primeras aplicaciones estarán muy lejos de lo que podremos hacer dentro de unos años». Añade que las perovskitas “no deben verse como un desplazamiento de la energía fotovoltaica de silicio. Debería verse como un aumento, otra forma más de lograr un despliegue más rápido de la electricidad solar”.

«En los últimos dos años se ha avanzado mucho en la búsqueda de tratamientos de superficie que mejoren las células solares de perovskita», afirma Michael McGehee, profesor de ingeniería química de la Universidad de Colorado, que no participó en esta investigación. “Gran parte de la investigación ha sido empírica y no se comprenden completamente los mecanismos detrás de las mejoras. Este estudio detallado muestra que los tratamientos no solo pueden pasivar los defectos, sino que también pueden crear un campo de superficie que repele a los portadores que deberían recolectarse en el otro lado del dispositivo. Esta comprensión podría ayudar a mejorar aún más las interfaces”.

El equipo incluyó investigadores del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Washington en Seattle y la Universidad Sungkyunkwan en Corea. El trabajo contó con el apoyo de Tata Trust, el Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.