12 de Diciembre de 2022
Energía

Células solares de perovskita más duraderas

Un nuevo proceso de fabricación alarga la vida útil de las células fotovoltaicas de perovskita, que son igual de eficientes y mucho más económicas que las habituales de silicio.

Célula solar fotovoltaica bicapa (3D/2D) de perovskita fabricada por investigadores de la Universidad Rice. El dispositivo tiene un grosor aproximado de 1 micrómetro y genera electricidad durante más tiempo sin perder eficiencia. [Jeff Fitlow/Universidad Rice]

Debido a que presentan la misma eficiencia en el laboratorio y un coste de fabricación mucho menor, las células solares basadas en perovskitas podrían sustituir a las de silicio en los paneles fotovoltaicos comerciales. Empleados desde 2009 como semiconductores en células experimentales, los materiales con estructura cristalina de «perovskita» suscitan un entusiasmo cada vez mayor en la comunidad científica y entre el público general. La implantación de estos dispositivos pondría los paneles solares al alcance de toda la población y contribuiría a reducir el coste de la electricidad fotovoltaica. Además, algunas de estas células solares son flexibles y transparentes, por lo que podrían tener aplicaciones industriales innovadoras, como la fabricación de ventanas generadoras de electricidad.

Sin embargo, a la técnica aún le quedan algunos escollos por superar. Por un lado, los cristales de mayor rendimiento contienen plomo, un metal contaminante y tóxico. Ahora se estudia la posibilidad de sustituirlo por estaño, y los rendimientos obtenidos, aunque menores, están aumentando. Por otro lado, la vida de la perovskita es corta, pues su estructura cristalina se deteriora con rapidez al quedar expuesta a la luz, la humedad, el calor y, sobre todo, a la combinación de esos tres factores. Los investigadores se han esforzado por mejorar la durabilidad de las células solares de perovskita sin mermar su eficiencia. Hace poco, Jacky Even, del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Rennes, Aditya Mohite, de la Universidad Rice en Houston, y sus colaboradores han logrado crear una estructura con una estabilidad sin precedentes que, además, mantiene el rendimiento. Su trabajo se ha publicado en Science.

En los últimos años, uno de los métodos empleados para mejorar el rendimiento de estas células solares ha consistido en recubrir el dispositivo (una capa tridimensional de perovskita) con una fina película protectora del mismo material, de menos de 1 micrómetro de grosor. Esta lámina bidimensional rellena las irregularidades superficiales de la capa tridimensional, que constituyen «trampas» para las cargas eléctricas. Además, tales asperezas debilitan la superficie del material y lo hacen más vulnerable a la degradación causada por la luz, el calor y la humedad, por lo que la lámina bidimensional actúa como capa de «pasivación» (es decir, proporciona protección frente a los agentes externos) y aumenta la durabilidad del dispositivo.

Sin embargo, la eficacia de esa capa de pasivación se ha visto limitada hasta ahora por las técnicas empleadas para depositarla. Tanto si se hacía mediante un disolvente (que luego se evaporaba) como si se formaba directamente sobre el sustrato, resultaba difícil obtener el grosor o la pureza deseados, así como conservar intacta la capa tridimensional.

Even, Mohite y sus colaboradores exploraron la técnica basada en disolventes. Uno de los retos era hallar una sustancia que permitiera depositar la película bidimensional (2D) sin disolver el sustrato tridimensional (3D), hecho del mismo material. Tras deducir las propiedades químicas que debía presentar tal disolvente, los investigadores probaron distintos compuestos y hallaron que el acetonitrilo (CH3CN) era uno de los más idóneos. A continuación, fabricaron una célula bicapa depositando sobre la base 3D una película 2D de perovskita diluida cuyo espesor estaba muy bien controlado. Tras dejar evaporar el disolvente, los investigadores comprobaron que la capa de pasivación era muy pura y que el sustrato no había sufrido ningún daño.

La producción de células solares bicapa (3D/2D) de perovskita puede optimizarse empleando un disolvente que permita depositar la capa bidimensional sin dañar el sustrato tridimensional. Tal disolvente ha de ser polar y aprótico (no debe contener iones H<sup>+</sup> libres). [<a href="https://news.rice.edu/news/2022/solvent-study-solves-solar-cell-durability-puzzle">Jeff Fitlow/Universidad Rice</a>]

Además de estabilizar la célula, la capa bidimensional también contribuye a la conversión de fotones en electricidad dentro de su propio espectro de absorción (la capa 2D absorbe la luz azul y visible, y el sustrato, la infrarroja). La célula resultante mantuvo una eficiencia del 24,5 por ciento durante más de 2000 horas, con una pérdida inferior al 1 por ciento al exponerla de forma continuada a la luz, a 60 grados Celsius y con una humedad relativa del 70 por ciento. Eso supone todo un récord de durabilidad para unos valores tan elevados de la eficiencia: en esas mismas condiciones, una célula bicapa de perovskita previamente optimizada y fabricada sin el disolvente elegido por los investigadores habría perdido el 10 por ciento de su eficiencia máxima (alrededor del 23 por ciento) al cabo de 1000 horas.

¿Allanará este estudio el terreno para la comercialización de paneles solares de bajo coste? A corto plazo, la técnica debería aplicarse para mejorar la vida útil de las células copuestas por silicio y perovskita en «tándem», que son los dispositivos económicos con mayor rendimiento. Pero aún hay mucha tela que cortar. Si bien la durabilidad de las células solares de perovskita ha mejorado mucho en el laboratorio, ahora la industria debe adaptar la técnica a paneles de gran tamaño y probarla en condiciones reales. Así pues, todavía tendrán que pasar algunos años antes de que las células solares de perovskita formen parte de nuestros tejados.

Pierre Giraudeau

Referencia: «Deterministic fabrication of 3D/2D perovskite bilayer stacks for durable and efficient solar cells». Siraj Sidhik et al. en Science, vol. 377, págs. 1425-1430, 22 de septiembre de 2022.

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