El salto (cuántico) a la fama de las perovskitas

Desde su descubrimiento como un mineral en el siglo XIX, pasando por el desarrollo de sus numerosas aplicaciones tecnológicas, nunca antes las perovskitas habían protagonizado una revolución semejante a la que ha desencadenado la utilización de materiales híbridos órgano-inorgánicos en dispositivos fotovoltaicos, y que tiene el potencial de introducir las energías renovables en nuestra vida cotidiana.

Autor: Juan M. Coronado-IMDEA Energía

En la primera mitad del siglo XIX el geólogo alemán Gustav Rose realizó expediciones por  distintas regiones de Rusia para catalogar y describir científicamente las riquezas geológicas todavía sin catalogar del vasto imperio del Zar. Aunque su campaña fue fructífera en descubrimientos, seguramente su hallazgo más famoso se produjo en 1839 en los Urales. Allí fue donde encontró una roca poco llamativa, con cristales del sistema cúbico y de color negro o pardo amarillento. Rose decidió homenajear al académico ruso Lev Aleksevich von Perovski dándole su nombre al nuevo mineral. Quizás, si hubiera imaginado la futura relevancia tecnológica de su descubrimiento habría preferido reservarle su propio nombre.

Hoy sabemos que la composición química de la muestra que encontró Rose era aproximadamente (Ca,Sr)TiO₃, y que los materiales con esta estructura presentan propiedades inesperadas y ciertamente notables. Así, el titanato de estroncio puro, que es posible sintetizar de forma controlada en el laboratorio, es un buen ejemplo de material piezoeléctrico, capaz de responder a la presión generando una pequeña diferencia de potencial. Pero las perovskitas puede adoptar una increíble variedad de composiciones químicas, y de forma paralela sus propiedades físicas pueden modularse para abarcar un amplio espectro de aplicaciones. Un ejemplo llamativo de esta capacidad de cambiar de naturaleza se puede encontrar en el estudio de sus propiedades eléctricas, ya que sin salirse de esta extensa familia estructural es posible encontrar aislantes, conductores electrónicos e iónicos e incluso superconductores de alta temperatura. Además, las perovskitas son importantes en catálisis, en la producción de hidrógeno por medio de ciclos termoquímicos, y en el desarrollo de pilas de combustible de óxidos sólidos.

Con estos antecedentes resulta obligado preguntarse qué es lo que hace especial a las perovsquitas. Una de las claves de su versatilidad está en su enorme capacidad para combinar un catión de tamaño grande, A, con otro de menor tamaño, B, junto con un anión adecuado, X, que, generalmente pero no siempre, es oxígeno, y formar un compuesto mixto con proporción, ABX₃. Pero esta receta básica se puede complicar enormemente mezclando más de dos cationes en distintas proporciones o incluso creando vacantes entre los aniones. Obviamente esto se traduce en cambios de la red cristalina que deja de ser cúbica para transformarse en estructuras de menor simetría (p.e. tetragonal, ortorrómbica o hexagonal) Además es posible encontrar materiales más complejos que intercalan capas de perovsquita con otras redes cristalinas como la del NaCl. Todo esto da lugar a una especie de “Lego” cristalino que permite obtener una amplísima variedad de materiales, entre los que es posible seleccionar las propiedades deseadas con relativa facilidad.

Como consecuencia de estas interesantes características las perovsquitas han sido objeto de innumerables investigaciones. Aunque los superconductores de alta temperatura, con estructuras relacionadas con las perovskitas y composición Ba₂YCu₃O_7-x, despertaron grandes expectativas en la década de los 80, no existen precedentes de una revolución similar a la desencadenada en producción fotovoltaica de electricidad por las perovskitas híbridas órgano-inorgánicas. Una prueba del impacto científico que están alcanzando estos materiales híbridos es la evolución del número de citas en revistas científicas que se puede observar en la figura. Estos compuestos, de composición CH₃NH₃PbI₃ se utilizaron por primera vez en fecha tan reciente como 2009 en las celdas de colorante (también conocidas como celdas de Graztel) como alternativa a los complejos de Ru para la captación de luz solar. Aunque los resultados fueron inicialmente modestos su capacidad de mejora se puso rápidamente de manifiesto, y los investigadores han llevado la eficiencia de este tipo de celdas a valores superiores al 20 % en solo 5 años. Puede parecer un resultado modesto pero si se tiene en cuenta que los dispositivos de Si, que están presentes en todos los huertos solares instalados, han necesitado más de 30 años para alcanzar una eficiencia del 25 % es posible valorar la rapidez de estos avances. Si además tenemos en cuenta que las celdas basadas en perovskitas híbridas son más flexibles y adaptables que las basadas en silicio y tienen un aspecto atractivo que permitiría incorporarlas en elementos tan cotidianos como nuestra ropa, podemos empezar a entender el inesperado protagonismo de estos materiales. No obstante, también existen limitaciones importantes como la baja estabilidad de los materiales híbridos, la dificultad para hacer celdas de tamaños grandes y la toxicidad del plomo. Pero estos condicionantes forman parte del reto científico, y sin duda, la historia tecnológica de las perovskitas tiene todavía muchos más interesantes capítulos por escribir.

Referencias

1. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka: Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131, 6050 (2009).
2. Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells T. Ishihara, ed. Springer. Dordrecht (Netherlands). (2009) ISBN 978-0-387-77707-8, 2009

3. “Placas solares de perovskita” Varum Sivaram. Samuel D. Stranks, Henry J. Snaith, Investigación y Ciencia. Septiembre 2015 Nº 468