Las perovskitas son un candidato líder para eventualmente reemplazar al silicio como el material de elección para los paneles solares. Ofrecen el potencial para la fabricación de bajo costo y baja temperatura de celdas flexibles ultrafinas y livianas, pero hasta ahora su eficiencia para convertir la luz solar en electricidad se ha quedado atrás de la del silicio y algunas otras alternativas.
Ahora, un nuevo enfoque para el diseño de celdas de perovskita ha llevado al material a igualar o superar la eficiencia de la celda de silicio típica de hoy, que generalmente varía del 20 al 22 por ciento, sentando las bases para nuevas mejoras.
Al agregar una capa conductora especialmente tratada de dióxido de estaño unida al material de perovskita, que proporciona una ruta mejorada para los portadores de carga en la celda, y al modificar la fórmula de perovskita, los investigadores han aumentado su eficiencia general como celda solar al 25.2 por ciento. casi un récord para tales materiales, que eclipsa la eficiencia de muchos paneles solares existentes. (Sin embargo, las perovskitas todavía tienen un retraso significativo en la longevidad en comparación con el silicio, un desafío en el que están trabajando equipos de todo el mundo).
Los hallazgos se describen en un artículo publicado en la revista Nature por el reciente graduado del MIT Jason Yoo PhD ’20, profesor de química y profesor de Lester Wolfe Moungi Bawendi, profesor de ingeniería eléctrica e informática y profesor de Fariborz Maseeh en tecnología emergente Vladimir Bulović, y 11 otros en el MIT, en Corea del Sur y en Georgia.
Las perovskitas son una amplia clase de materiales que se definen por el hecho de que tienen un tipo particular de disposición molecular, o celosía, que se asemeja a la del mineral perovskita natural. Hay una gran cantidad de posibles combinaciones químicas que pueden producir perovskitas, y Yoo explica que estos materiales han atraído el interés mundial porque «al menos en papel, podrían fabricarse mucho más baratos que el silicio o el arseniuro de galio», uno de los otros competidores principales.
Eso se debe en parte a los procesos de procesamiento y fabricación mucho más simples, que para el arseniuro de galio o silicio requieren un calor sostenido de más de 1,000 grados Celsius. Por el contrario, las perovskitas se pueden procesar a menos de 200 C, ya sea en solución o por deposición de vapor.
La otra gran ventaja de la perovskita sobre el silicio o muchos otros posibles reemplazos es que forma capas extremadamente delgadas mientras captura de manera eficiente la energía solar. “Las células de perovskita tienen el potencial de ser livianas en comparación con el silicio, en órdenes de magnitud”, dice Bawendi.
Las perovskitas tienen una banda prohibida más alta que el silicio, lo que significa que absorben una parte diferente del espectro de luz y, por lo tanto, pueden complementar las células de silicio para proporcionar eficiencias combinadas aún mayores. Pero incluso usando solo perovskita, dice Yoo, “lo que estamos demostrando es que incluso con una sola capa activa, podemos lograr eficiencias que amenazan al silicio y, con suerte, dentro de la distancia de perforación del arseniuro de galio. Y ambas tecnologías han existido por mucho más tiempo que las perovskitas”.
Una de las claves para la mejora del equipo de la eficiencia del material, explica Bawendi, fue la ingeniería precisa de una capa del sándwich que forma una célula solar de perovskita: la capa de transporte de electrones. La perovskita en sí está superpuesta con una capa conductora transparente que se usa para llevar una corriente eléctrica desde la celda hasta donde se puede usar.
Sin embargo, si la capa conductora está unida directamente a la perovskita, los electrones y sus contrapartes, llamados huecos, simplemente se recombinan en el lugar y no fluye corriente. En el diseño de los investigadores, la perovskita y la capa conductora están separadas por un tipo mejorado de capa intermedia que puede dejar pasar los electrones y evitar la recombinación.
Esta capa intermedia de transporte de electrones, y especialmente las interfaces donde se conecta con las capas a cada lado de ella, tienden a ser donde ocurren las ineficiencias. Al estudiar estos mecanismos y diseñar una capa, compuesta de óxido de estaño, que se adapta más perfectamente a las adyacentes, los investigadores lograron reducir en gran medida las pérdidas.
El método que utilizan se llama deposición en baño químico. “Es como cocinar a fuego lento en una olla de barro”, dice Bawendi. Con un baño a 90 grados Celsius, los precursores químicos se descomponen lentamente para formar la capa de dióxido de estaño en su lugar. “El equipo se dio cuenta de que si entendíamos los mecanismos de descomposición de estos precursores, tendríamos una mejor comprensión de cómo se forman estas películas. Pudimos encontrar la ventana correcta en la que se puede sintetizar la capa de transporte de electrones con propiedades ideales”.
Después de una serie de experimentos controlados, encontraron que se formarían diferentes mezclas de compuestos intermedios, dependiendo de la acidez de la solución precursora. También identificaron un punto óptimo de composiciones precursoras que permitieron que la reacción produjera una película mucho más efectiva.
Los investigadores combinaron estos pasos con una optimización de la propia capa de perovskita. Utilizaron un conjunto de aditivos para la receta de perovskita para mejorar su estabilidad, que ya se había probado antes pero que tuvo un efecto no deseado en la banda prohibida del material, lo que lo convirtió en un absorbente de luz menos eficiente. El equipo descubrió que al agregar cantidades mucho más pequeñas de estos aditivos, menos del 1 por ciento, aún podían obtener los efectos beneficiosos sin alterar la banda prohibida.
La mejora resultante en la eficiencia ya ha llevado al material a más del 80 por ciento de la eficiencia máxima teórica que podrían tener dichos materiales, dice Yoo.
Si bien estas altas eficiencias se demostraron en pequeños dispositivos a escala de laboratorio, Bawendi dice que “el tipo de información que brindamos en este documento, y algunos de los trucos que brindamos, podrían potencialmente aplicarse a los métodos que la gente ahora está desarrollando para células de perovskita fabricables a escala y, por lo tanto, aumentan esas eficiencias».
Para continuar con la investigación, hay dos vías importantes, dice: continuar empujando los límites de una mejor eficiencia y concentrarse en aumentar la estabilidad a largo plazo del material, que actualmente se mide en meses, en comparación con décadas para las células de silicio. Pero para algunos propósitos, señala Bawendi, la longevidad puede no ser tan esencial. Muchos dispositivos electrónicos, como los teléfonos móviles, por ejemplo, tienden a ser reemplazados en unos pocos años de todos modos, por lo que puede haber algunas aplicaciones útiles incluso para las células solares de vida relativamente corta.
«No creo que estemos allí todavía con estas células, incluso para este tipo de aplicaciones a corto plazo», dice. «Pero la gente se está acercando, por lo que combinar nuestras ideas en este documento con ideas que otras personas tienen con una estabilidad creciente podría conducir a algo realmente interesante».
Robert Hoye, profesor de materiales en el Imperial College de Londres, que no formó parte del estudio, dice: «Este es un excelente trabajo de un equipo internacional». Agrega: “Esto podría conducir a una mayor reproducibilidad y la excelente eficiencia de los dispositivos lograda en el laboratorio que se traduce en módulos comercializados. En términos de hitos científicos, no solo logran una eficiencia que fue el récord certificado para las células solares de perovskita durante gran parte del año pasado, sino que también logran voltajes de circuito abierto de hasta el 97 por ciento del límite radiativo. Este es un logro asombroso para las células solares generadas a partir de una solución».
El equipo incluyó a investigadores del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan y Georgia Tech. El trabajo fue apoyado por el Instituto de Nanotecnología de Soldados del Massachusetts Institute of Technology, la NASA, la empresa italiana Eni SpA a través de la Iniciativa Energética del MIT, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología.
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