Si bien la eficiencia de conversión de la energía de las células solares de perovskita (perovskite solar cells, PVSC) -un futuro de las células solares- ya ha mejorado mucho en el último decenio, aún no se han superado los problemas de inestabilidad y el posible impacto ambiental. Recientemente, científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) han desarrollado un método novedoso que puede abordar simultáneamente las fugas de plomo de las PVSC y el problema de la estabilidad sin comprometer la eficiencia, preparando el camino de la tecnología fotovoltaica de la perovskita para la aplicación en la vida real.
El equipo de investigación está codirigido por el profesor Alex Jen Kwan-yue, rector y catedrático de química y ciencia de los materiales de CityU, junto con el profesor Xu Zhengtao y el Dr. Zhu Zonglong del Departamento de Química. Los resultados de su investigación se publicaron recientemente en la revista científica Nature Nanotechnology, titulada «Estructura metal-orgánico en 2-D para células solares estables de perovskita con fugas de plomo minimizadas«.
Actualmente, la mayor eficiencia de conversión de energía de las células solares perovskitas ha estado a la par de las células solares de silicio de última generación. Sin embargo, las perovskitas utilizadas contienen un componente de plomo que plantea una preocupación por la posible contaminación ambiental.
«A medida que la célula solar envejece, la capa de plomo puede filtrarse a través de los dispositivos, por ejemplo, a través del agua de lluvia en el suelo, lo que supone una amenaza de toxicidad para el medio ambiente», explicó el profesor Jen, que es un experto en las PVSC.
«Para poner las PVSC en usos comerciales en gran escala, se requiere no sólo una alta eficiencia de conversión de energía sino también una estabilidad a largo plazo del dispositivo y un impacto ambiental mínimo».
En colaboración con el profesor Xu, cuya experiencia es la síntesis de materiales, el profesor Jen y el Dr. Zhu dirigieron el equipo para superar los desafíos mencionados aplicando estructuras metal-orgánicas bidimensionales (2-D) a las PVSC.
«Somos el primer equipo que fabrica simultáneamente dispositivos PVSC con una mínima fuga de plomo, una buena estabilidad a largo plazo y una alta eficiencia de conversión de energía», resumió el profesor Jen.
Capa multifuncional de MOF
Los materiales de estructura metal-orgánico (Metal-organic framework, MOF, por sus siglas en inglés) se han aplicado anteriormente como andamios para modelar el crecimiento de las perovskitas. Los científicos también los han utilizado como aditivos o modificadores de superficie para pasivar (para reducir la reactividad de la superficie del material) los defectos de las perovskitas para mejorar el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.
Figura 1. Más del 80% de los iones de plomo filtrados se capturan en la capa superior de MOF para mitigar el posible impacto ambiental.
Sin embargo, la mayoría de los MOF tridimensionales son bastante aislantes de la electricidad con una baja movilidad de la carga, por lo que no son adecuados para ser utilizados como materiales de transporte de carga.
Pero los MOF preparados por el profesor Xu son diferentes. Son como panales, con una estructura en 2-D equipada con numerosos grupos de tioles como funcionalidad clave. Poseen niveles de energía adecuados, lo que les permite ser una capa de extracción de electrones (también llamada «capa de recolección de electrones») donde los electrones son finalmente recogidos por el electrodo de los PVSCs.
«Nuestros MOF de ingeniería molecular poseen la propiedad de un semiconductor multifuncional, y pueden utilizarse para mejorar la eficiencia de la extracción de la carga», explicó el Profesor Xu.
Atrapando los iones de plomo para evitar la contaminación
Lo más importante es que las densas matrices de grupos de tiol y disulfuro en los MOF pueden «capturar» iones de metales pesados en la interfaz perovskitaelectrodo para mitigar la fuga de plomo.
«Nuestros experimentos demostraron que el MOF utilizado como capa exterior del dispositivo PVSC capturó más del 80% de los iones de plomo filtrados de la perovskita degradada y formó complejos insolubles en agua que no contaminarían el suelo», explicó el profesor Jen.
A diferencia de los métodos de encapsulamiento físico utilizados para reducir las fugas de plomo en otros estudios, esta absorción química in situ de plomo por el componente MOF integrado en el dispositivo resultó ser más eficaz y sostenible para aplicaciones prácticas a largo plazo.
Figura 2. La concentración de plomo en la fase acuosa extraída de las M-PVSC envejecidas (PVSC con MOF) disminuyó drásticamente en comparación con las r-PVSC (PVSC sin MOF). Esto se atribuye a la reacción química entre la densa matriz de grupos tiol y disulfuro en el MOF con fugas de iones de plomo.
Se ha logrado una estabilidad operacional a largo plazo
Además, este material MOF podría proteger las perovskitas contra la humedad y el oxígeno manteniendo una alta eficiencia.
La eficiencia de conversión de la energía de su dispositivo PVSC modificado con MOF podría alcanzar el 22,02% con un factor de llenado del 81,28% y un voltaje de circuito abierto de 1,20 V.
Tanto la eficiencia de conversión como el voltaje de circuito abierto registrados están entre los valores más altos reportados para los PVSC invertidos planares. Al mismo tiempo, el dispositivo exhibió una estabilidad superior en un ambiente con una humedad relativa del 75%, manteniendo el 90% de su eficiencia inicial después de 1.100 horas. Por el contrario, la eficiencia de conversión de energía de las PVSC sin MOF cayó significativamente a menos del 50% de su valor original.
Además, su dispositivo retuvo el 92% de su eficiencia inicial bajo una irradiación de luz continua durante 1.000 horas a 85°C. «Tal nivel de estabilidad ya ha cumplido la norma de comercialización establecida por la Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission, IEC)», dijo el Dr. Zhu.
«Este es un resultado muy significativo que demuestra que nuestro método MOF es técnicamente viable y tiene el potencial de comercializar la tecnología PVSC», añadió el Profesor Jen.
PVSC de alta eficiencia para aplicaciones de energía limpia
Al equipo le llevó casi dos años lograr esta prometedora investigación. Su próximo paso será mejorar la eficiencia de la conversión de energía y explorar las formas de reducir el costo de producción.
«Esperamos que en el futuro la fabricación de este tipo de PVSC sea como imprimir periódicos y que se pueda ampliar fácilmente en la producción, facilitando el despliegue a gran escala de PVSC altamente eficientes para aplicaciones de energía limpia», concluyó el profesor Jen.
Noticia tomada de: Phys.org / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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