La energía solar es la tecnología energética de más rápido crecimiento, y por un amplio margen. En 2023, se añadió a nivel mundial más del doble de nueva generación de electricidad a partir de energía solar que a partir de carbón. De hecho, según un informe reciente, tanto la energía solar como la eólica están creciendo más rápido que cualquier otra fuente de electricidad en la historia.
Gran parte de este alentador avance en la energía solar se debe al silicio. Este semiconductor comprende hasta el 95% de todos los paneles solares del mundo. Sin embargo, la fabricación de células solares de alta eficiencia (más del 25%) requiere silicio puro que se calienta a más de 900°C para eliminar defectos. También tiene una banda prohibida fija (rango de luz que puede absorber) que no es ideal.
Un nuevo material para células solares
Por el contrario, la perovskita (un mineral de óxido de calcio y titanio) absorbe mucho mejor la luz que el silicio cristalino e incluso puede “sintonizarse” para utilizar regiones del espectro solar en gran medida inaccesibles a la energía fotovoltaica de silicio. La perovskita tiene una tolerancia mucho mejor a los defectos y puede funcionar bien con impurezas e imperfecciones. Las perovskitas también se pueden producir de forma más sencilla y flexible. En teoría, los paneles solares fabricados con este mineral podrían ser mucho más baratos que sus homólogos de silicio.
Estas células han experimentado un aumento espectacular en eficiencia en los últimos años, pasando de apenas un 3% en 2009 a más del 25% en la actualidad. Este salto en eficiencia ha captado la atención tanto de investigadores como de líderes de la industria, generando esperanzas para un futuro impulsado por las perovskitas.
El problema es que la perovskita natural es rara, mientras que las versiones sintéticas de la perovskita tienen una durabilidad fugaz medida en meses. Además, la perovskita es bastante frágil y propensa a sufrir daños químicos y térmicos.
Pero un gran avance en la Universidad Rice podría finalmente inclinar la balanza a favor de la perovskita para derrocar el dominio del silicio en el sector solar. El nuevo estudio destaca un método novedoso para sintetizar yoduro de plomo de formamidinio (FAPbI3), el tipo de cristal que se utiliza actualmente para fabricar las células solares de perovskita de mayor eficiencia, en películas fotovoltaicas ultraestables y de alta calidad. Estas películas demostraron una estabilidad notable, con una disminución de apenas el 3% en la eficiencia después de más de 1000 horas de funcionamiento a 85°C. Esta alta temperatura normalmente provoca el colapso de las células solares basadas en yoduro de formamidinio.
“En este momento, creemos que esto es lo último en términos de estabilidad”, dijo el ingeniero de Rice, Aditya Mohite, uno de los investigadores de perovskitas con más experiencia del mundo. “Las células solares de perovskita tienen el potencial de revolucionar la producción de energía, pero lograr una estabilidad duradera ha sido un desafío importante”.
Estabilidad en células solares de perovskita
La clave de este avance radica en “condimentar” la solución precursora de FAPbI3 con perovskitas bidimensionales (2D) especialmente diseñadas. Estas perovskitas 2D actúan como plantillas, guiando el crecimiento de la perovskita masiva/3D y mejorando la estabilidad de la estructura de la red cristalina.
Los investigadores explican que FAPbI3, aunque químicamente estable, es estructuralmente inestable. Al utilizar perovskitas 2D como plantillas, mejoraron tanto la eficiencia como la durabilidad de las películas de FAPbI3. La adición de cristales 2D bien combinados facilitó la formación de cristales de FAPbI3 de alta calidad, que mostraron menos desorden interno y una respuesta más fuerte a la iluminación.
Las células solares con estas plantillas 2D superaron a sus homólogas. Mantuvieron la estabilidad incluso después de 20 días de generar electricidad a partir de la luz solar. Esta estabilidad se mejoró aún más añadiendo una capa de encapsulación, lo que acercó las células solares de perovskita a la viabilidad comercial.
Este avance podría transformar las tecnologías fotovoltaicas al reducir los costos de fabricación y permitir paneles solares más livianos y flexibles. A diferencia de las células solares basadas en silicio, las películas de perovskita se pueden procesar a temperaturas más bajas, lo que permite la producción en sustratos plásticos o flexibles, lo que reduce aún más los costos.
“Debería ser mucho más barato y consumir menos energía fabricar paneles solares de perovskita de alta calidad en comparación con paneles de silicio de alta calidad, porque el procesamiento es mucho más fácil”, dijo Isaac Metcalf, estudiante graduado en ciencias de materiales y nanoingeniería de Rice y autor principal del estudio.
“Si no existe electricidad solar, no se producirá ninguno de los otros procesos que dependen de los electrones verdes de la red, como los procesos termoquímicos o electroquímicos para la fabricación de productos químicos”, dijo Mohite. “La energía fotovoltaica es absolutamente crítica”.
Los hallazgos aparecieron en la revista Science.
Fuente: ZME Science.
