Los investigadores de energía solar de la Universidad Estatal de Oregón están enfocando su atención científica en materiales con una estructura cristalina descubierta hace casi dos siglos.
No todos los materiales con la estructura, conocidos como perovskitas, son semiconductores. Pero las perovskitas basadas en un metal y un halógeno lo son, y tienen un tremendo potencial como células fotovoltaicas que podrían ser mucho menos costosas de fabricar que las células a base de silicio quehan sido dueños del mercado desde su inicio en la década de 1950.
Investigadores dicen que hay suficiente potencial para tal vez algún día incursionar significativamente en la participación de los combustibles fósiles en el sector energético.
John Labram, de la Facultad de Ingeniería de la OSU, es el autor correspondiente de dos artículos recientes sobre estabilidad de perovskita, en Física de las comunicaciones y el Revista de cartas de química física y también contribuyó a un artículo publicado hoy en ciencia .
El estudio en ciencia , dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, reveló que un aditivo molecular, una sal basada en el compuesto orgánico piperidina, mejora en gran medida la longevidad de las células solares de perovskita.
Los hallazgos descritos en los tres documentos profundizan la comprensión de un prometedor semiconductor que se deriva de un descubrimiento hace mucho tiempo por un mineralogista ruso. En los Montes Urales en 1839, Gustav Rose encontró un óxido de calcio y titanio con un cristal intriganteestructura y lo nombró en honor del noble ruso Lev Perovski.
Perovskita ahora se refiere a una gama de materiales que comparten la red cristalina del original. El interés en ellos comenzó a acelerarse en 2009 después de que un científico japonés, Tsutomu Miyasaka, descubriera que algunas perovskitas son absorbentes efectivos de la luz.
"Debido a su bajo costo, las células solares de perovskita tienen el potencial de socavar los combustibles fósiles y revolucionar el mercado de la energía", dijo Labram. "Sin embargo, un aspecto mal entendido de esta nueva clase de materiales es su estabilidad bajo iluminación constante,un problema que representa una barrera para la comercialización "
En los últimos dos años, el grupo de investigación de Labram en la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática ha construido un aparato experimental único para estudiar los cambios en la conductancia de los materiales solares a lo largo del tiempo.
"Trabajando en equipo con la Universidad de Oxford, demostramos que la inestabilidad inducida por la luz ocurre durante muchas horas, incluso en ausencia de contacto eléctrico", dijo. "Los hallazgos ayudan a aclarar resultados similares observados en las células solares y mantienen la clavepara mejorar la estabilidad y la viabilidad comercial de las células solares de perovskita "
La eficiencia de la celda solar se define por el porcentaje de energía de la luz solar que golpea una celda que se convierte en energía eléctrica utilizable.
Hace siete décadas, Bell Labs desarrolló la primera célula solar práctica. Tenía una eficiencia modesta, según los estándares actuales, del 6% y era costosa de fabricar, pero encontró un nicho en la alimentación de los satélites lanzados durante los incipientes días delcarrera en el espacio.
Con el tiempo, los costos de fabricación disminuyeron y las eficiencias aumentaron, a pesar de que la mayoría de las celdas no han cambiado mucho; todavía consisten en dos capas de silicio casi puro dopado con un aditivo. Absorben la luz, usan la energía de ella para crear uncorriente eléctrica a través de la unión entre ellos.
En 2012, uno de los colaboradores de Labram, Henry Snaith de Oxford, descubrió que las perovskitas podrían usarse como el componente principal de las células solares, en lugar de solo como un sensibilizador. Esto llevó a una tormenta de actividad de investigación y miles dePublicaciones científicas que se publican cada año sobre el tema. Ocho años después de la investigación, las células de perovskita ahora pueden operar con una eficiencia del 25%, lo que las convierte, al menos en el laboratorio, a la par de las células de silicio comerciales.
Las celdas de perovskita pueden fabricarse de manera económica a partir de productos químicos industriales y metales comúnmente disponibles y pueden imprimirse en películas flexibles de plástico y producidas en masa. Por el contrario, las celdas de silicio son rígidas y están hechas de obleas finamente cortadas de silicio casi puro en un costoso y alto contenido-proceso de temperatura.
Un problema con las perovskitas es su tendencia a ser algo inestable cuando las temperaturas aumentan, y otro es la vulnerabilidad a la humedad, una combinación que puede hacer que las células se descompongan. Es un problema para un producto que necesita durar dos o tres décadas enaire libre.
"En general, para poder vender un panel solar en los Estados Unidos 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 originalrendimiento después de 25 años. La tecnología actual, el silicio, es bastante buena para eso. Pero el silicio debe producirse de manera costosa a temperaturas superiores a 2.000 grados Celsius en condiciones controladas, para formar cristales perfectos y sin defectos, para que funcionen correctamente."
Por otro lado, las perovskitas son altamente tolerantes a defectos, dijo Labram.
"Pueden disolverse en un solvente, luego imprimirse a una temperatura cercana a la temperatura ambiente", dijo. "Esto significa que eventualmente podrían producirse a una fracción del costo del silicio y, por lo tanto, reducir los combustibles fósiles. Sin embargo, para estopara suceder, deben ser certificables con una garantía de 25 años. Esto requiere que comprendamos y mejoremos la estabilidad de estos materiales ".
Un camino hacia el mercado es una celda en tándem hecha de silicio y perovskitas que podrían convertir más energía del espectro de la luz solar en energía. Las pruebas de laboratorio en células en tándem han producido eficiencias del 28%, y las eficiencias a mediados de los años 30 parecen realistas, Labramdijo.
"Las células en tándem podrían permitir a los productores de paneles solares ofrecer un rendimiento más allá de lo que el silicio solo podría lograr", dijo. "El enfoque dual podría ayudar a eliminar la barrera para que las perovskitas ingresen al mercado, camino a que las perovskitas eventualmente actúen como soporte"células solas "
Las películas semitransparentes de perovskita también se pueden usar algún día en ventanas o en invernaderos, convirtiendo parte de la luz solar entrante en electricidad y dejando pasar el resto.
"Cuando se trata de la generación de energía, el costo es el factor más importante", dijo Labram. "El silicio y las perovskitas ahora muestran aproximadamente la misma eficiencia. Sin embargo, a largo plazo, las células solares de perovskita tienen el potencial de producirse en unfracción del costo de las células solares de silicio. Y si bien la historia nos ha demostrado que la acción política sobre el cambio climático es en gran medida ineficaz, si puede generar electricidad a partir de fuentes renovables a un costo menor que los combustibles fósiles, todo lo que tiene que hacer es lograrproducto, entonces el mercado se encargará del resto "
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