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TECNOLOGÍA. Células solares de perovskita de alta eficiencia: un futuro más cercano

 

Los investigadores utilizaron un método de ingeniería en polvo para crear una versión de alta calidad de FAPbI3. Primero, mezclaron acetato de formamidinio (FAAc) con ácido yodhídrico (HI). Luego se añadió PbI2. Después, la mezcla se calentó a 90 grados Celsius. En el paso final, las impurezas restantes o los materiales sin reaccionar se disolvieron en agua y se filtraron. Fuente: OIST

Las células solares, que convierten la luz solar en electricidad, han sido durante mucho tiempo parte de la visión global de las energías renovables. Aunque las celdas individuales son muy pequeñas, cuando se amplían a módulos, se pueden usar para cargar baterías y encender luces. Si se colocan uno al lado del otro, algún día podrían ser la principal fuente de energía para los edificios. 

Pero las células solares actualmente en el mercado utilizan silicio, lo que las hace caras de fabricar en comparación con las fuentes de energía más tradicionales.

Ahí es donde entra en juego otro material relativamente nuevo para la ciencia: la perovskita de haluro metálico. Cuando se ubica en el centro de una celda solar, esta estructura cristalina también convierte la luz en electricidad, pero a un costo mucho menor que el del silicio. Además, las células solares basadas en perovskita se pueden fabricar utilizando sustratos rígidos y flexibles, por lo que, además de ser más económicas, podrían ser más ligeras y flexibles. 

Pero, para tener potencial en el mundo real, estos prototipos deben aumentar en tamaño, eficiencia y vida útil.

Ahora, en un nuevo estudio, publicado en Nano Energy , investigadores de la Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de Superficies, dirigida por el profesor Yabing Qi, en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han demostrado que la creación de una de las materias primas necesario para las perovskitas de una manera diferente podría ser clave para el éxito de estas células.


Un dispositivo de prueba de concepto creado por la Unidad de Ciencias de la Superficie y Materiales Energéticos de OIST utiliza un módulo solar de perovskita para cargar una batería de iones de litio. Fuente: OIST

Hay un polvo cristalino necesario en las perovskitas llamado FAPbI3, que forma la capa absorbente de la perovskita. Anteriormente, esta capa se fabricaba combinando dos materiales: PbI2 y FAI. La reacción que tiene lugar produce FAPbI3. Pero este método está lejos de ser perfecto. A menudo quedan restos de uno o ambos materiales originales, lo que puede impedir la eficiencia de la célula solar.

Para evitar esto, los investigadores sintetizaron el polvo cristalino utilizando un método de ingeniería más preciso. Seguían utilizando una de las materias primas, el PbI2, pero también incluían pasos adicionales, que implicaban, entre otras cosas, calentar la mezcla a 90 grados Celsius, disolver y filtrar cuidadosamente las sobras. Esto aseguró que el polvo resultante fuera de alta calidad y estructuralmente perfecto.

La Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de la Superficie de la OIST trabaja con módulos y células solares de perovskita de distintos tamaños. Fuente: OIST

Otro beneficio de este método fue que la estabilidad de la perovskita aumentó a diferentes temperaturas. Cuando se formó la capa absorbente de perovskita a partir de la reacción original, era estable a altas temperaturasSin embargo, a temperatura ambiente, cambió de marrón a amarillo, lo que no era ideal para absorber la luz. La versión sintetizada era marrón incluso a temperatura ambiente.

En el pasado, los investigadores han creado una celda solar basada en perovskita con más del 25% de eficiencia, que es comparable a las celdas solares basadas en silicio. Pero, para mover estas nuevas células solares más allá del laboratorio, es necesario un tamaño superior y una estabilidad a largo plazo.

Las células solares a escala de laboratorio son pequeñas. El tamaño de cada celda suele ser de apenas 0,1 cm 2 . La mayoría de los investigadores se centran en estos dispositivos porque son más fáciles de crear. Pero, en términos de aplicaciones prácticas son necesarios módulos solares que son mucho más grandes. 

La vida útil de las células solares también es algo que debemos tener en cuenta. Aunque anteriormente se había logrado una eficiencia del 25%, la vida útil era, como máximo, de unos pocos miles de horas. Después de esto, la eficiencia de la celda comienza a disminuir".

Usando el polvo de perovskita cristalina sintetizada, los científicos lograron una eficiencia de conversión de más del 23% en su celda solar y una vida útil de más de 2000 horas. Cuando se ampliaron a módulos solares de 5x5 cm2, aún lograron una eficiencia superior al 14%. Como prueba de concepto, fabricaron un dispositivo que usaba un módulo solar de perovskita para cargar una batería de iones de litio.

Estos resultados representan un paso crucial hacia células y módulos solares basados ​​en perovskita eficientes y estables que, algún día, podrían usarse fuera del laboratorio.  El siguiente reto es hacer un módulo solar de 15x15 cm 2 y con una eficiencia superior al 15%. Los autores del estudio confían en lograrlo pronto.

Fuente: “Removal of residual compositions by powder engineering for high efficiency formamidinium-based perovskite solar cells with operation lifetime over 2000 h” by Guoqing Tong, Dae-Yong Son, Luis K. Ono, Hyung-Been Kang, Sisi He, Longbin Qiu, Hui Zhang, Yuqiang Liu, Jeremy Hieulle and Yabing Qi, 13 May 2021, Nano EnergyDOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106152

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