Los investigadores de la energía solar de la Universidad Estatal de Oregón están centrando 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 sí lo son, y tienen un enorme potencial como células fotovoltaicas que podrían ser mucho más baratas de fabricar que las células basadas en silicio que han sido propiedad del mercado desde su creación en los años 50.
Suficiente potencial, dicen los investigadores, para tal vez algún día tallar significativamente la cuota de los combustibles fósiles en el sector de la energía.
John Labram, de la Facultad de Ingeniería de la OSU, es el autor correspondiente de dos artículos recientes sobre la estabilidad de la perovskita, en Física de las Comunicaciones y en el Journal of Physical Chemistry Letters, y también contribuyó a un artículo publicado el 02 de julio en Science.
El estudio en Science, dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, reveló que un aditivo molecular – una sal basada en el compuesto orgánico piperidina – mejora enormemente la longevidad de las células solares perovskitas.
Los hallazgos esbozados en los tres documentos profundizan la comprensión de un prometedor semiconductor que proviene de un descubrimiento de hace mucho tiempo de un mineralogista ruso. En los Montes Urales en 1839, Gustav Rose encontró un óxido de calcio y titanio con una intrigante estructura cristalina y lo nombró en honor al noble ruso Lev Perovski.
La perovskita
La perovskita se refiere ahora 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 eficaces absorbentes de luz.
«Debido a su bajo costo, las células solares de perovskita tienen el potencial de reducir los combustibles fósiles y revolucionar el mercado de la energía», dijo Labram.
«Sin embargo, un aspecto poco comprendido de esta nueva clase de materiales es su estabilidad bajo una iluminación constante, lo que representa una barrera para su comercialización», siguió comentando Labram.
En los últimos dos años, el grupo de John Labram en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática ha construido aparatos experimentales únicos (ver figura 1.) para estudiar los cambios en la conductividad de los materiales solares a lo largo del tiempo.
Figura 1. Aparato para pruebas. Foto cortesía de Oregon State University.
«En colaboración con la Universidad de Oxford, demostramos que la inestabilidad inducida por la luz se produce durante muchas horas, incluso en ausencia de contacto eléctrico», dijo.
«Los hallazgos ayudan a clarificar resultados similares observados en las células solares y son la clave para mejorar la estabilidad y la viabilidad comercial de las células solares de perovskita».
La eficiencia de las células solares se define por el porcentaje de energía de la luz solar que incide en una célula que se convierte en energía eléctrica utilizable.
Hace siete décadas, los laboratorios Bell desarrollaron la primera célula solar práctica. Tenía una modesta, para los estándares de hoy, eficiencia del 6% y era costosa de fabricar, pero encontró un nicho en la alimentación de los satélites lanzados durante los primeros días de la carrera espacial.
Con el tiempo, los costos de fabricación disminuyeron y la eficiencia aumentó, aunque la mayoría de las células no han cambiado mucho – todavía consisten en dos capas de silicio casi puro dopado con un aditivo. Absorbiendo la luz, utilizan la energía de ésta para crear una corriente eléctrica a través de la unión entre ellas.
En 2012, uno de los colaboradores de Labram, Henry Snaith de Oxford, hizo el gran descubrimiento de que las perovskitas podrían ser utilizadas como el principal componente de las células solares, en lugar de sólo como sensibilizador. Esto condujo a una tormenta de actividad de investigación y a la publicación de miles de artículos científicos cada año sobre el tema. Ocho años de investigación más tarde, las células de perovskita pueden ahora operar con una eficiencia del 25% – haciéndolas, al menos en el laboratorio, a la par de las células comerciales de silicio.
La Perovskita ya puede producirse de manera económica y a escala
Las células de la perovskita pueden fabricarse de forma económica a partir de productos químicos y metales industriales comúnmente disponibles, y pueden imprimirse en películas flexibles de plástico y producirse en masa. Las celdas de silicio, por el contrario, son rígidas y están hechas de obleas finamente cortadas de silicio casi puro en un costoso proceso de alta 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. Ese es un problema para un producto que necesita durar dos o tres décadas al aire libre.
«En general, para poder vender un panel solar en los EE.UU. 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 rendimiento original después de 25 años. La tecnología actual, el silicio, es bastante buena para eso. Pero el silicio tiene que ser producido costosamente en temperaturas de más de 2.000 grados centígrados bajo condiciones controladas, para formar cristales perfectos y sin defectos, para que funcionen correctamente».
Las perovskitas, por otro lado, son muy tolerantes a los defectos, dijo Labram.
«Pueden ser disueltos en un disolvente, y luego impresos a temperatura ambiente», dijo.
«Esto significa que eventualmente podrían ser producidos a una fracción del costo del silicio, y por lo tanto reducir los combustibles fósiles. Sin embargo, para que esto suceda, necesitan ser certificables con una garantía de 25 años. Esto requiere que entendamos y mejoremos la estabilidad de estos materiales», dijo Labrahm.
La célula tándem, ¿el camino a seguir?
Un camino hacia el mercado es la célula tándem hecha tanto de silicio como de perovskitas que podría convertir más del espectro de la luz solar en energía. Las pruebas de laboratorio en las células tándem han producido eficiencias del 28%, y las eficiencias a mediados de los años 30 parecen realistas, dijo Labram.
«Las células tándem podrían permitir a los productores de paneles solares ofrecer un rendimiento más allá de lo que el silicio por sí solo podría lograr», dijo.
«El enfoque dual podría ayudar a eliminar la barrera de entrada al mercado de las perovskitas, en el camino a que las perovskitas eventualmente actúen como células independientes».
Las películas semitransparentes de perovskita también pueden usarse un día en las ventanas o en los invernaderos, convirtiendo parte de la luz solar entrante en electricidad mientras se deja 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».
«A largo plazo, sin embargo, las células solares de perovskita tienen el potencial de ser fabricadas a una fracción del costo de las células solares de silicio. Y aunque la historia nos ha demostrado que la acción política sobre el cambio climático es en gran medida ineficaz, si se puede generar electricidad a partir de fuentes renovables a un costo menor que los combustibles fósiles, todo lo que hay que hacer es fabricar el producto, entonces el mercado se encargará del resto».
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