Investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto que los aditivos de gran tamaño podrían ser el secreto para fabricar células solares de perovskita estables y duraderas.
Innovaciones en células solares de perovskita: mayor durabilidad y costes reducidos
Investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto una forma de prevenir la rápida degradación de los semiconductores de perovskita. Este avance podría habilitar células solares dos a cuatro veces más económicas que los paneles solares de película delgada actuales.
Además, la combinación de perovskitas con semiconductores basados en silicio, como los usados en los paneles solares actuales, podría crear células solares «en tándem» superando la eficiencia máxima teórica de las células de silicio.
¿Por qué no silicio?
Xiwen Gong, profesora asistente de ingeniería química en la U-M, explica que las células solares de silicio son eficientes y duraderas, pero su alta eficiencia conlleva un alto coste. Producir silicio de alta pureza requiere temperaturas superiores a los 1.000 grados Celsius, lo cual aumenta los costes económicos y ambientales. Por otro lado, las perovskitas pueden producirse a temperaturas más bajas, pero son susceptibles a degradarse con el calor, la humedad y el aire.
El desafío de la Perovskita
A pesar de ser potencialmente más baratas y ecológicas, las células solares de perovskita se degradan más rápido que las de silicio. La investigación de Gong busca desarrollar células solares de perovskita más resistentes. Su último estudio, publicado en la revista Matter, sugiere que las moléculas «defecto pacificadoras» voluminosas son las mejores para aumentar la estabilidad y la vida útil de las perovskitas.
¿Cómo funcionan estos aditivos?
Los cristales de perovskita contienen átomos de plomo no completamente unidos a otros componentes. Estos «sitios subcoordinados» son defectos que impiden el movimiento de electrones y aceleran la degradación del material. Se ha descubierto que mezclar moléculas defecto pacificadoras con per
ovskitas ayuda a encerrar el plomo subcoordinado, previniendo la formación de otros defectos a altas temperaturas.
Hongki Kim, un exinvestigador postdoctoral en ingeniería química y uno de los primeros autores del estudio, señala la importancia de determinar qué características específicas de las moléculas mejoran la estabilidad de la perovskita.
Experimentación y resultados
El equipo de Gong creó tres aditivos con distintas formas y tamaños, y los añadió a películas delgadas de cristales de perovskita. Descubrieron que las moléculas más grandes por masa eran mejores para adherirse a la perovskita, ya que tenían más sitios de unión. Estas moléculas resultaron ser más eficaces para prevenir la formación de defectos.
Sin embargo, no solo el tamaño importa, sino también la configuración. Las moléculas grandes y delgadas resultaban en granos de perovskita más pequeños, lo que no es ideal porque crean más límites de grano, es decir, más áreas para la formación de defectos. Por el contrario, las moléculas voluminosas promovieron la formación de granos más grandes de perovskita, reduciendo la densidad de límites de grano en la película.
Al calentar las películas de perovskita a más de 200 grados Celsius, se confirmó que los aditivos voluminosos ayudaban a retener más su color negro pizarra característico y desarrollar menos defectos estructurales.
Carlos Alejandro Figueroa Morales, estudiante doctoral en ciencia e ingeniería de macromoléculas y uno de los primeros autores del estudio, sugiere que tanto el tamaño como la configuración son importantes al diseñar aditivos. Esta filosofía de diseño podría implementarse en diversas formulaciones de perovskita para mejorar la vida útil de las células solares de perovskita, dispositivos de emisión de luz y fotodetectores.
Este descubrimiento es un paso significativo hacia células solares más duraderas y económicamente viables, abriendo nuevas posibilidades en el campo de las energías renovables y marcando un avance importante en la búsqueda de alternativas más sostenibles y accesibles para la generación de energía solar.
Vía umich.edu
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