Las células solares de perovskita tienen suficiente potencial, dicen los investigadores, como para tal vez algún día rebajar significativamente la cuota de los combustibles fósiles en el sector de la energía
No todos los materiales con una estructura cristalina descubierta hace casi 2 siglos, conocidos como perovskitas, son semiconductores. Pero las perovskitas basadas en un metal y un halógeno sí lo son, y tienen un enorme potencial como células solares fotovoltaicas que podrían ser mucho más baratas de fabricar que las células basadas en silicio, las cuales se apropiaron del mercado desde su creación en los años 50 del pasado siglo.
Las células solares de perovskita tienen suficiente potencial, dicen los investigadores, como para tal vez algún día rebajar significativamente la cuota de los combustibles fósiles en el sector de la energía.
John Labram, de la Facultad de Ingeniería de la OSU, es el autor principal de dos artículos recientes sobre la estabilidad de la perovskita, publicados en las revistas Communications Physics y Journal of Physical Chemistry Letters, y también contribuyó a un artículo publicado en Science.
El estudio en la revista Science, dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, reveló que un aditivo molecular - una sal basada en el compuesto orgánico piperidina - mejora enormemente la longevidad de las células solares de perovskita.
"Debido a su bajo costo, las células solares de perovskita tienen el potencial de comerle terreno a los combustibles fósiles y revolucionar el mercado de la energía", dijo Labram. "Sin embargo, un aspecto poco comprendido de esta nueva clase de materiales es su estabilidad bajo una iluminación constante, lo que representa una barrera para su comercialización".
En los últimos dos años, el grupo de investigación de Labram en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática ha construido un aparato experimental único para estudiar los cambios en la conductividad de los materiales solares a lo largo del tiempo.
"En colaboración con la Universidad de Oxford, demostramos que la inestabilidad inducida por la luz se produce durante muchas horas, incluso en ausencia de contacto eléctrico", dijo. "Lo encontrado ayuda a clarificar resultados similares observados en células solares y son la clave para mejorar la estabilidad y la viabilidad comercial de las células solares de perovskita".
La eficiencia de las células solares se define por el porcentaje de energía de la luz solar que incide en una célula que se convierte en energía eléctrica utilizable.
Hace siete décadas, los laboratorios Bell desarrollaron la primera célula solar práctica. Tenía una modesta, para los estándares de hoy, eficiencia del 6% y era costosa de fabricar, pero encontró un nicho en la alimentación de los satélites lanzados durante los primeros días de la carrera espacial.
Con el tiempo, los costos de fabricación disminuyeron y las eficiencias aumentaron, aunque la mayoría de las células no han cambiado mucho: todavía consisten en dos capas de silicio casi puro dopado con un aditivo. Absorbiendo la luz, utilizan la energía de esta para crear una corriente eléctrica.
En 2012, uno de los colaboradores de Labram, Henry Snaith de Oxford, hizo el gran descubrimiento de que las perovskitas podrían ser utilizadas como el principal componente de las células solares, en lugar de solo como sensibilizador. Esto condujo a una tormenta de actividad de investigación y a la publicación de miles de artículos científicos cada año sobre el tema. Ocho años de investigación más tarde, las células de perovskita pueden ahora operar con una eficiencia del 25%, lo que las coloca, al menos en el laboratorio, a la par de las células comerciales de silicio.
Las células de la perovskita pueden ser fabricadas a bajo costo a partir de productos químicos industriales y metales comúnmente disponibles y pueden ser impresas en películas flexibles de plástico y producidas en masa. Las células de silicio, por el contrario, son rígidas y están hechas de obleas finamente cortadas de silicio casi puro en un costoso proceso de alta temperatura.
Un problema con las perovskitas es su tendencia a ser algo inestables cuando las temperaturas aumentan, y otro es la vulnerabilidad a la humedad, una combinación que puede hacer que las células se descompongan. Ese es un problema para un producto que necesita durar dos o tres décadas al aire libre.
"En general, para poder vender un panel solar en los EE.UU. y Europa se requiere una garantía de 25 años", dijo Labram. "Lo que eso significa en realidad es que la célula solar debe mostrar no menos del 80% de su rendimiento original después de 25 años. La tecnología actual, el silicio, es bastante buena para eso. Pero el silicio tiene que ser producido de forma costosa a temperaturas de más de 2.000 grados centígrados bajo condiciones controladas, para formar cristales perfectos y sin defectos, para que funcionen correctamente".
Las perovskitas por otro lado son altamente tolerantes a los defectos, dijo Labram. "Pueden ser disueltas en un disolvente, y luego impresas a temperatura ambiente", dijo. "Esto significa que podrían llegar ser producidas a una fracción del costo del silicio, y por lo tanto reducir los combustibles fósiles. Sin embargo, para que esto suceda, necesitan ser certificables con una garantía de 25 años. Esto requiere que entendamos y mejoremos la estabilidad de estos materiales".
Un camino hacia dicho mercado es una célula solar en tándem, hecha tanto de silicio como de perovskitas que podría convertir una mayor parte del espectro de la luz solar en energía. Las pruebas de laboratorio en las células en tándem han producido eficiencias del 28%, y parece realista llegar a eficiencias de 35 o más, dijo Labram.
"Las células en tándem podrían permitir a los productores de paneles solares ofrecer un rendimiento más allá de lo que el silicio por sí solo podría lograr", dijo. "El enfoque dual podría ayudar a eliminar la barrera de entrada al mercado de las perovskitas, a la espera de que las perovskitas acaben actuando como células independientes".
Las películas semitransparentes de perovskita también pueden ser usadas algún día en ventanas, o en invernaderos, convirtiendo parte de la luz solar entrante en electricidad mientras se deja pasar el resto.
"Cuando se trata de generación de energía, el costo es el factor más importante", dijo Labram. "El silicio y las perovskitas ahora muestran aproximadamente la misma eficiencia. A largo plazo, sin embargo, las células solares de perovskita tienen el potencial de ser fabricadas a una fracción del costo de las células solares de silicio. Y aunque la historia nos ha demostrado que la acción política sobre el cambio climático es en gran medida ineficaz, si se puede generar electricidad a partir de fuentes renovables a un costo menor que los combustibles fósiles, todo lo que habrá que hacer es fabricar el producto, y el mercado se encargará del resto".
