Un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto ha creado una célula solar de perovskita de triple unión con una eficiencia récord al superar una limitación clave de diseños anteriores.
El prototipo representa un avance significativo en el desarrollo de alternativas de bajo coste a las células solares basadas en silicio, que son el estándar actual de la industria.
«Además de un menor coste de fabricación, las perovskitas nos ofrecen la posibilidad de apilar múltiples capas de materiales absorbentes de luz unas sobre otras, e incluso sobre las células de silicio tradicionales», afirma el profesor Ted Sargent, que se ha incorporado recientemente al departamento de química y al de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Northwestern, pero mantiene su laboratorio en la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto.
«En este trabajo, utilizamos el diseño racional para abordar un reto crítico que puede surgir en este paradigma multicapa, mejorando tanto la eficiencia como la durabilidad».
Células solares de perovskita para aprovechar distintas longitudes de onda
Las células solares actuales se fabrican a partir de una única oblea de silicio ultrapuro, cuya producción consume mucha energía. En cambio, las células solares de perovskita se fabrican con películas policristalinas de perovskita que se recubren sobre superficies con técnicas de procesamiento de soluciones de bajo coste similares a las utilizadas en la industria de la impresión.
Variando la composición de los cristales de perovskita de estas películas, cada capa puede «ajustarse» para absorber distintas longitudes de onda de luz, aprovechando así todo el espectro solar. Esto no es posible con el silicio, que siempre absorbe las mismas longitudes de onda.
El equipo del profesor Sargent es uno de los que están desarrollando nuevas formas de aprovechar el potencial de las células solares de perovskita. Sus trabajos anteriores incluían células en tándem de dos capas, pero su último estudio, publicado en Nature, se centra en un diseño de tres capas.
«Las células multicapa suelen diseñarse de modo que la capa superior, con perovskitas de banda ancha, absorbe los fotones más energéticos, es decir, la luz de alta frecuencia con longitudes de onda cortas, hacia el extremo violeta del espectro», explica el investigador postdoctoral Zaiwei Wang, uno de los cuatro coautores del nuevo trabajo.
«La siguiente capa absorberá longitudes de onda medias y la inferior, longitudes de onda más largas. Pero es en la capa superior donde nos enfrentamos al reto de la separación de fases inducida por la luz».
El equipo utilizó un tipo de material de perovskita conocido como ABX3, que está hecho de una mezcla de diferentes sustancias, como cesio, plomo, estaño, yodo, bromo y algunas pequeñas moléculas orgánicas. La capa superior, en particular, está compuesta por perovskitas de haluros mixtos, que tienen una alta proporción de bromo y yodo.
«Lo que ocurre en la separación de fases inducida por la luz de estas perovskitas mixtas es que el bombardeo de fotones de alta frecuencia hace que las fases más ricas en bromo se separen de las ricas en yodo», explica Hao Chen, investigador postdoctoral y coautor principal del estudio.
«Esto provoca un aumento de los defectos y una disminución en el rendimiento general».
Para superar este problema, el equipo de investigación utilizó modelos informáticos detallados para simular el efecto de alterar la composición de los cristales. Este trabajo sugirió dos cambios: eliminar las moléculas orgánicas para obtener una estructura de perovskita totalmente inorgánica e introducir el elemento rubidio.
«La introducción del rubidio suprime el problema de la separación de fases inducida por la luz», explica Tong Zhu, otro investigador posdoctoral y coautor principal.
«Nuestras perovskitas inorgánicas mixtas de rubidio y cesio muestran una mayor estabilidad a la luz que [otros] materiales de perovskita, incluidas las perovskitas inorgánicas basadas en cesio y las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas ampliamente utilizadas con brechas de banda similares».
Con estos conocimientos, el equipo diseñó y construyó una célula de triple unión con esta composición. Midieron su eficiencia en un 24,3% con una tensión en circuito abierto de 3,21 voltios. También la enviaron al National Renewable Energy Laboratory para que la certificara de forma independiente y midiera una eficiencia en estado cuasi estacionario del 23,3%.
«En el pasado, las células solares de perovskita de triple unión habían demostrado una eficiencia máxima de alrededor del 20%, por lo que se trata de una gran mejora. Hasta donde sabemos, ésta es también la primera vez que se certifica la eficiencia de las células solares de triple unión de perovskita», afirma Lewei Zeng, otro de los coautores principales.
«Los diseños anteriores también tendían a perder gran parte de su rendimiento en cuestión de horas. En cambio, el nuestro mantuvo el 80% de su eficiencia inicial incluso después de 420 horas de funcionamiento, lo que supone un gran paso en términos de durabilidad».
El equipo afirma que, aunque será necesario seguir mejorando el rendimiento antes de que las células solares de perovskita puedan competir con las de silicio en aplicaciones comerciales, el último estudio demuestra un camino a seguir.
«La teoría nos dice que las perovskitas tienen la capacidad de superar muchas de las limitaciones inherentes al silicio como material», afirma Zeng.
«Pero no se trata simplemente de que uno desplace al otro. Puede haber aplicaciones más adecuadas para la perovskita y otras para el silicio, o combinar ambos. Hay muchas posibilidades interesantes por delante».
Fuente: worldenergytrade.com
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