Actualizado: 18/07/2022
El rápido perfeccionamiento de las células solares de perovskita las ha convertido en la estrella emergente del mundo fotovoltaico y ha despertado un enorme interés en la comunidad académica.
Dado que sus métodos de funcionamiento son todavía relativamente nuevos, existen grandes oportunidades para seguir investigando la física y la química básicas en torno a las perovskitas.
Además, como se ha demostrado en los últimos años, las mejoras en la ingeniería de las formulaciones y las rutinas de fabricación de las perovskitas han dado lugar a aumentos significativos en la eficiencia de conversión de energía.
Los avances en estos materiales de células solares ofrecen una alta eficiencia a bajo coste. Sin embargo, se necesita más I + D para demostrar que la tecnología emergente de perovskita es estable, duradera y confiable, en comparación con los paneles solares tradicionales basados en obleas de silicio.
¿Qué es la perovskita?
La perovskita mineral, que lleva el nombre del mineralogista ruso Conde Lev Perovski, solo se usó en células solares por primera vez en 2009. Desde entonces, se ha demostrado en laboratorios científicos un rendimiento energético cada vez mayor de estas llamadas células solares de perovskita.
La perovskita es un material que tiene la misma estructura cristalina que el mineral óxido de calcio y titanio, el primer cristal de perovskita descubierto.
Por lo general, los compuestos de perovskita tienen una fórmula química ABX3, donde «A» y «B» representan cationes y X es un anión que se une a ambos. Es posible combinar un gran número de elementos diferentes para formar estructuras de perovskita.
Gracias a esta flexibilidad compositiva, los científicos pueden diseñar cristales de perovskita con una gran variedad de características físicas, ópticas y eléctricas. Los cristales de perovskita se encuentran hoy en día en máquinas de ultrasonidos, chips de memoria y, ahora, en células solares.
Aplicaciones energéticas de las perovskitas
Todas las células solares fotovoltaicas se basan en semiconductores, materiales situados en un punto intermedio entre los aislantes eléctricos, como el vidrio, y los conductores metálicos, como el cobre, para convertir la energía de la luz en electricidad. La luz del sol excita los electrones del material semiconductor, que fluyen hacia los electrodos conductores y producen corriente eléctrica.
El silicio ha sido el principal material semiconductor usado en las células solares desde mediados del siglo pasado, ya que sus propiedades semiconductoras se ajustan bien al espectro de los rayos solares y es relativamente abundante y estable.
Sin embargo, los grandes cristales de silicio usados en los paneles fotovoltaicos convencionales requieren un proceso de fabricación costoso y de varios pasos que usa mucha energía.
En la búsqueda de una alternativa, los científicos han aprovechado la capacidad de las perovskitas para crear semiconductores con propiedades similares a las del silicio. Las células solares de perovskita pueden fabricarse mediante técnicas sencillas, como la impresión, por una fracción del coste y la energía. Gracias a la flexibilidad de composición de las perovskitas, también pueden ajustarse para que se adapten perfectamente al espectro solar.
En 2012, los investigadores descubrieron por primera vez cómo fabricar una célula solar de perovskita de capa fina y estable con una eficiencia de conversión de fotones en electrones superior al 10%, usando perovskitas de haluro de plomo como capa absorbente de luz.
Desde entonces, la eficiencia de conversión de luz solar en energía eléctrica de las células solares de perovskita se ha disparado, y el récord de laboratorio se sitúa en más del 25%.
Los investigadores también están combinando células solares de perovskita con células solares de silicio convencionales: las eficiencias récord de estas células en tándem de «perovskita sobre silicio» son actualmente del 29% (superando el récord del 27% de las células de silicio convencionales) y están aumentando rápidamente.
Con este rápido aumento de la eficiencia de las células, las células solares de perovskita y las células solares en tándem de perovskita podrían convertirse pronto en alternativas baratas y muy eficientes a las células solares de silicio convencionales.
Tipos de células solares de perovskita
Todas las células solares, sin importar de qué estén hechas, tienen ciertas cosas en común.
Todos deben tener al menos una capa negativa y una capa positiva de material fotovoltaico; y deben tener electrodos conductores delanteros y traseros para transportar los electrones cargados por el sol desde la capa negativa a lo largo de un cable para producir electricidad antes de devolverlos a la capa positiva. Una vez montadas en un módulo solar, las células se sellan en una capa de encapsulación para protegerlas contra el daño del clima.
Hay esencialmente dos tipos diferentes de células solares de perovskita: células de película delgada con perovskita como único material fotovoltaico, y células en tándem, que tienen múltiples capas de perovskita o una capa delgada de perovskita sobre silicio cristalino tradicional.
Para complicar un poco las cosas, también hay células en tándem de película delgada con una capa de perovskita sobre seleniuro de cobre indio galio (CIGS), que es una tecnología solar de película delgada ya perfeccionada.
Ventajas y desventajas de la perovskita.
Ventajas.
El uso de perovskita como semiconductor en módulos fotovoltaicos tiene importantes ventajas:
- Las materias primas requeridas para producir esta perovskita semiconductora son muy baratas.
- Además, solo necesita una capa muy delgada de perovskita en una célula solar, lo que resulta en costes de material aún más bajos.
- La perovskita se puede aplicar con un proceso de deposición relativamente simple (la aplicación de las capas sobre un sustrato determinado), de modo que no se requieren máquinas costosas.
- Las capas de perovskita se pueden depositar a bajas temperaturas, lo que también mantiene bajos los costes de producción.
- Se necesita relativamente poca energía para hacer una célula de perovskita y, por lo tanto, la célula solar recupera rápidamente la energía que se necesitó para hacer la célula.
Con el estado actual de la tecnología de células solares de perovskita, se puede lograr la misma eficiencia del módulo en vidrio o lámina que se está realizando actualmente con otras tecnologías.
Desventajas.
- Las perovskitas se descomponen con el tiempo cuando se exponen a la humedad, la luz, el calor y el oxígeno, lo que significa que debe desarrollarse tecnologías adicionales para estabilizar las células para un uso generalizado.
- Las mejores perovskitas para generar energía contienen plomo, que es contaminante; sin embargo, la industria está trabajando en formas de reducir la toxicidad potencial de la perovskita.
- Las células de perovskita aún no están listas a escala comercial.
¿A qué problemas se enfrentan las perovskitas?
El mayor problema actual en el campo de las perovskitas es la inestabilidad a largo plazo.
Se ha demostrado que esto se debe a vías de degradación en las que intervienen factores externos, como el agua, la luz y el oxígeno, y también como resultado de la inestabilidad intrínseca, como la degradación al calentarse, debido a las propiedades del material.
Se han propuesto varias estrategias para mejorar la estabilidad, sobre todo cambiando la elección de los componentes.
Muchos de los sistemas de mayor eficiencia publicados recientemente usan componentes inorgánicos.
La estabilidad también se ha mejorado mediante el uso de la pasivación superficial y la combinación de perovskitas de capas 2D, que muestran una mejor estabilidad intrínseca, pero un menor rendimiento, con perovskitas 3D convencionales.
Estos esfuerzos (junto con factores como un mejor encapsulamiento) han mejorado enormemente la estabilidad de las perovskitas desde su introducción inicial, y la vida útil está en camino de cumplir con los estándares industriales, con trabajos recientes que muestran células capaces de soportar una prueba de calor húmedo de 1000 horas.
Otra cuestión que aún no se ha resuelto del todo es el uso del plomo en los compuestos de perovskita. Aunque se usa en cantidades mucho más pequeñas que las presentes actualmente en las baterías de plomo o cadmio, la presencia de plomo en los productos de uso comercial es problemática. Sigue preocupando la exposición a los compuestos tóxicos del plomo (a través de la lixiviación de la perovskita en el medio ambiente), y algunos estudios han sugerido que la aplicación a gran escala de las perovskitas requeriría la contención completa de los productos de degradación. En cambio, otras evaluaciones del ciclo de vida han encontrado que el impacto de la toxicidad del plomo es insignificante en comparación con otros materiales de la célula (como el cátodo).
También existe la posibilidad de usar una alternativa al plomo en las células solares de perovskita (como las perovskitas a base de estaño), pero la eficiencia de conversión de energía de estos dispositivos sigue siendo significativamente inferior a la de los dispositivos a base de plomo, y el récord de una perovskita a base de estaño se sitúa actualmente en el 9 %. Algunos estudios también han llegado a la conclusión de que el estaño puede tener en realidad una mayor toxicidad ambiental que el plomo, y se necesitan otras alternativas menos tóxicas.
Otro problema importante en términos de rendimiento es la histéresis corriente-voltaje que se observa habitualmente en los dispositivos. Los factores que influyen en la histéresis siguen siendo objeto de debate, pero la mayoría de las veces se atribuyen a la migración de iones móviles en combinación con altos niveles de recombinación. Los métodos para reducir la histéresis incluyen la variación de la arquitectura de la célula, la pasivación de la superficie y el aumento del contenido de yoduro de plomo, así como estrategias generales para reducir la recombinación.
Para que el coste por vatio sea realmente bajo, las células solares de perovskita deben alcanzar el tan anunciado trío de alta eficiencia, larga vida útil y bajo coste de fabricación. Esto aún no se ha conseguido en otras tecnologías de capa fina, pero los dispositivos basados en perovskita demuestran actualmente un enorme potencial para lograrlo.
El futuro de las perovskitas.
La investigación futura sobre las perovskitas se centrará probablemente en la reducción de la recombinación mediante estrategias como la pasivación y la reducción de defectos, así como en el aumento de la eficiencia mediante la inclusión de perovskitas 2D y materiales de interfaz mejor optimizados. Es probable que las capas de extracción de carga pasen de ser materiales orgánicos a inorgánicos, para mejorar tanto la eficiencia como la estabilidad. Es probable que la mejora de la estabilidad y la reducción del impacto medioambiental del plomo sigan siendo áreas de gran interés.
Aunque la comercialización de las células solares de perovskita independientes todavía se enfrenta a obstáculos en términos de fabricación y estabilidad, su uso en células de c-Si/perovskita en tándem ha progresado rápidamente (con eficiencias superiores al 25%) y es probable que las perovskitas lleguen primero al mercado fotovoltaico como parte de esta estructura.
Conclusiones.
- Las perovskitas son materiales con estructuras cristalinas específicas que exhiben un efecto fotovoltaico (electricidad de la luz).
- Estos materiales tienen el potencial de revolucionar la industria solar al aumentar en gran medida la eficiencia y reducir el coste de fabricación de paneles fotovoltaicos.
- Los científicos han estado trabajando arduamente en el perfeccionamiento de estos materiales desde 2009, y las células solares disponibles comercialmente pueden estar al alcance de todos en breve.
- Las ventajas de las perovskitas para fabricar células solares son difíciles de exagerar, pero hay inconvenientes, como la presencia de plomo en estos materiales, que deben superarse antes de que puedan generalizarse.
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