Científicos diseñan un “impermeable” molecular para células solares sin plomo que resiste meses al aire y varios días sumergido en agua.
- ☀️ 16,2 % de eficiencia en células solares sin plomo.
- 🛡️ Protección molecular frente a oxígeno y humedad.
- ⏱️ Más del 95 % del rendimiento tras 1.600 horas en aire seco.
- 🔥 80 % de la eficiencia inicial tras 1.000 horas a 55 °C.
- 💧 Material estable incluso después de permanecer sumergido en agua durante días.
- 🇺🇸 Investigación desarrollada por varias instituciones estadounidenses.
Una nueva perovskita de estaño resiste aire y humedad gracias a una protección molecular integrada
¿Por qué importa?
Las células solares de perovskita prometen módulos ligeros, delgados y potencialmente fáciles de fabricar, pero buena parte de los dispositivos más eficientes contienen plomo. Sustituirlo por estaño parecía una alternativa lógica. Había un problema serio: las perovskitas de estaño se degradan con mucha facilidad al entrar en contacto con el aire y la humedad.
Investigadores de Estados Unidos han desarrollado ahora una estructura que incorpora la protección dentro del propio material. Una especie de impermeable molecular que dificulta la entrada de agua y oxígeno sin impedir que la célula transforme la luz en electricidad.
El gran problema del estaño no era captar la luz, era sobrevivir fuera del laboratorio
Las perovskitas de haluro de estaño llevan años apareciendo entre las alternativas más interesantes al plomo. Poseen propiedades ópticas adecuadas para la fotovoltaica y una banda prohibida relativamente estrecha, interesante también para determinadas arquitecturas solares avanzadas.
Su talón de Aquiles aparece cuando el material abandona las condiciones cuidadosamente controladas del laboratorio.
El estaño presente en estas perovskitas puede oxidarse con facilidad. La presencia de oxígeno y humedad acelera procesos químicos que deterioran el semiconductor, genera defectos y termina reduciendo el rendimiento eléctrico.
No es un problema menor. Un material fotovoltaico destinado a pasar años sobre un tejado debe soportar lluvia, humedad ambiental, calor y ciclos continuos de iluminación.
Por eso, en esta tecnología, conseguir unas décimas más de eficiencia no siempre representa el avance más importante. Mantener esa eficiencia durante mucho tiempo puede resultar bastante más valioso.
Un “impermeable” construido átomo a átomo
El equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Wisconsin–Madison, junto con científicos del National Laboratory of the Rockies, la Universidad de Toledo y otras instituciones estadounidenses, abordó el problema modificando la propia estructura de la perovskita.
La clave está en un catión orgánico denominado 4-cloro-feniletilamonio, o 4ClPEA.
Los investigadores estudiaron una familia de compuestos similares en los que cambiaba un pequeño componente químico. La versión que incorporaba cloro produjo una disposición molecular especialmente compacta.
Ahí aparece el efecto “impermeable”.
Las moléculas orgánicas se empaquetan con mayor fuerza y crean una estructura que dificulta físicamente la difusión de moléculas de agua y oxígeno hacia las zonas sensibles que contienen estaño.
No se trata simplemente de colocar una película impermeable encima de una célula terminada. La resistencia ambiental nace de la organización molecular del propio semiconductor.
Una arquitectura 2D/3D para combinar protección y rendimiento
La célula utiliza una estructura híbrida bidimensional/tridimensional, 2D/3D.
Las perovskitas tridimensionales suelen ofrecer buenas propiedades para absorber luz y transportar cargas eléctricas. Las estructuras bidimensionales, por su parte, pueden proporcionar una mayor resistencia frente a factores ambientales.
La estrategia intenta aprovechar ambas cualidades.
La perovskita basada en 4ClPEA favorece además una mejor cristalización y orientación de la película fotovoltaica. Esto importa porque una película mal formada contiene defectos y fronteras internas capaces de dificultar el movimiento de las cargas eléctricas.
El resultado no consiste únicamente en proteger el semiconductor. La modificación estructural también mejora las condiciones necesarias para que la electricidad generada pueda desplazarse por la célula.
16,2 % de eficiencia sin utilizar plomo
Las mejores células construidas por el equipo alcanzaron una eficiencia de conversión del 16,2 %.
Todavía queda distancia respecto a las mejores células de perovskita basadas en plomo y frente a tecnologías fotovoltaicas comerciales maduras. De hecho, otras células de perovskita de estaño ya han superado ligeramente el 17 % en laboratorio.
Así que el interés del trabajo no está en batir el récord absoluto de eficiencia.
Está en conseguir simultáneamente una eficiencia elevada para esta familia de materiales y una estabilidad ambiental poco habitual.
La prueba más llamativa: varios días dentro del agua
Uno de los experimentos ayuda a entender hasta qué punto cambia el comportamiento del material.
Las perovskitas convencionales son famosas precisamente por su sensibilidad al agua. Sin embargo, la nueva perovskita de estaño permaneció sin disolverse después de pasar varios días sumergida.
Eso no significa que un futuro panel pueda funcionar indefinidamente bajo el agua. Tampoco sustituye los ensayos normalizados necesarios para certificar módulos fotovoltaicos comerciales.
Pero sí demuestra algo importante a escala de material: la estructura molecular dificulta de forma considerable uno de los mecanismos de degradación más problemáticos de las perovskitas.
Más de 1.600 horas con pérdidas inferiores al 5 %
La resistencia química también se trasladó a dispositivos fotovoltaicos completos.
Durante las pruebas de almacenamiento en aire seco, las mejores células conservaron más del 95 % de su eficiencia inicial después de 1.600 horas, equivalentes a unos 67 días.
La prueba operativa fue más exigente.
Las células funcionaron continuamente bajo iluminación solar simulada y a una temperatura de 55 °C. Después de 1.000 horas, aproximadamente 42 días, todavía conservaban alrededor del 80 % de su rendimiento inicial.
Es uno de los resultados de estabilidad más destacados publicados hasta ahora para células solares basadas en perovskitas de estaño.
El plomo sigue siendo uno de los dilemas de las perovskitas
La enorme progresión de las perovskitas fotovoltaicas durante los últimos años tiene una contrapartida incómoda. Buena parte de los récords de eficiencia se han conseguido utilizando haluros de plomo.
En un módulo correctamente encapsulado, el material permanece aislado. El debate ambiental aparece cuando se contempla el ciclo de vida completo: roturas, incendios, daños meteorológicos, fabricación, tratamiento al final de la vida útil y eventual liberación del material.
La industria trabaja en encapsulados, barreras, sistemas de captura de plomo y procedimientos de reciclaje para reducir estos riesgos.
Eliminar el plomo desde la propia composición ofrece otra vía.
El estaño resulta especialmente atractivo porque permite conservar muchas de las propiedades optoelectrónicas que hacen interesantes a las perovskitas. Pero cambiar un elemento por otro no resuelve automáticamente el problema ambiental.
Durabilidad, consumo energético de fabricación, sustancias utilizadas durante el procesado, disponibilidad de materias primas y reciclabilidad también tendrán que formar parte de la evaluación.
El listón industrial está mucho más alto que 1.000 horas
Aquí conviene poner los resultados en perspectiva.
Mil horas de funcionamiento estable constituyen un resultado científico importante para una tecnología experimental. Un panel fotovoltaico comercial, en cambio, debe permanecer instalado durante décadas.
Los módulos convencionales de silicio se comercializan habitualmente con garantías de producto y rendimiento que se extienden durante periodos muy superiores a los ensayados en este experimento.
Además, pasar de una pequeña célula de laboratorio a un módulo de gran superficie suele descubrir problemas que apenas aparecen en dispositivos diminutos: uniformidad de las películas, defectos, encapsulado, conexiones eléctricas, tensiones mecánicas y degradación en los bordes.
La comparación tampoco puede reducirse a eficiencia contra eficiencia. Las células comerciales de silicio cuentan con una industria gigantesca, procesos altamente automatizados, cadenas de suministro consolidadas y décadas de datos sobre comportamiento en condiciones reales.
La perovskita de estaño parte desde bastante más atrás.
Una pista interesante para las futuras células en tándem
El reducido intervalo energético de determinadas perovskitas de estaño abre además otra posibilidad: las células solares en tándem.
Una célula en tándem utiliza dos materiales capaces de aprovechar regiones diferentes del espectro solar. Una capa absorbe los fotones de mayor energía y otra aprovecha una parte de la radiación que atravesaría la primera.
Las perovskitas se prestan especialmente bien a esta estrategia porque su composición permite modificar sus propiedades ópticas.
En los últimos años, los dispositivos de perovskita y silicio han demostrado que esta arquitectura puede superar las limitaciones de una célula convencional de una sola unión. Ya existen incluso los primeros pasos comerciales de esta tecnología.
Una perovskita de estaño suficientemente estable podría ampliar las combinaciones disponibles y, a largo plazo, ayudar a desarrollar arquitecturas que reduzcan o eliminen el contenido de plomo.
No basta con fabricar una buena célula pequeña
El siguiente desafío será comprobar si el principio descubierto mantiene sus ventajas al aumentar el tamaño.
Fabricar unos pocos centímetros cuadrados de película homogénea en un laboratorio es muy diferente de producir grandes superficies de manera continua.
Precisamente ahí se está moviendo buena parte de la investigación mundial en perovskitas. Se desarrollan procesos mediante impresión, recubrimiento continuo y fabricación rollo a rollo, buscando trasladar la química que funciona en laboratorio hacia métodos compatibles con producción industrial.
La estabilidad intrínseca conseguida mediante diseño molecular podría ser especialmente útil en este contexto. Un semiconductor que ya tolera mejor el ambiente puede reducir parte de la presión sobre el encapsulado, aunque los módulos comerciales seguirían necesitando barreras protectoras.
Una tecnología que ya ha despertado interés industrial
La investigación ha avanzado lo suficiente para que el National Laboratory of the Rockies y la Wisconsin Alumni Research Foundation hayan presentado conjuntamente una solicitud de patente relacionada con el nuevo material.
Eso no implica una comercialización inmediata. Entre una patente y una fábrica puede existir una distancia enorme.
Sí muestra que el descubrimiento no se contempla únicamente como una curiosidad académica. La posibilidad de diseñar perovskitas de estaño que se protejan mediante su propia estructura abre una familia de materiales que podría seguir optimizándose.
La química utilizada aquí es, en cierto modo, una prueba de concepto de algo más amplio: diseñar la durabilidad al mismo tiempo que las propiedades fotovoltaicas, en vez de intentar solucionar la degradación cuando la célula ya está terminada.
Potencial
El escenario más interesante no pasa necesariamente por sustituir de golpe los paneles de silicio.
Las primeras oportunidades podrían aparecer donde las características de las películas delgadas aportan ventajas difíciles de conseguir con módulos rígidos: fotovoltaica integrada en edificios, superficies ligeras, dispositivos flexibles y células en tándem.
Una perovskita sin plomo, resistente al aire y a la humedad y fabricable mediante procesos de baja temperatura podría reducir algunas de las barreras ambientales que acompañan a esta familia de materiales.
También podría facilitar módulos con menos semiconductor activo y nuevas formas de aprovechar superficies que hoy no producen electricidad.
Pero todo depende de la durabilidad. La sostenibilidad de una tecnología fotovoltaica no se decide únicamente por lo que contiene una célula. Importa cuánta electricidad produce durante toda su vida, cuántos recursos requiere, cuánto dura y qué ocurre con sus materiales cuando deja de funcionar.
Esta nueva perovskita de estaño mejora precisamente una de esas piezas. Todavía no resuelve el puzle completo.
Más información: A chlorinated organic cation enables stable 2D/3D tin iodide perovskite photovoltaics | Nature Materials
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