Perovskita: nuevo tipo de tecnología solar allana el camino para celdas abundantes, baratas e imprimibles

Oficial superior de investigación en el Centro de conocimiento e innovación SPECIFIC, Universidad de Swansea

David Beynon recibe fondos de EPSRC y del gobierno de Gales. Anteriormente trabajó en proyectos de investigación financiados por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, Tata Steel, Power Roll Ltd y European Union Horizon.

La Universidad de Swansea proporciona financiación como miembro de The Conversation UK.

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Las células solares de silicio son una tecnología establecida para la generación de electricidad a partir del sol. Pero su producción requiere mucha energía, son rígidas y pueden ser frágiles.

Sin embargo, una nueva clase de celda solar está igualando su rendimiento. Y lo que es más, ahora se puede imprimir con tintas especiales y envolver de forma flexible alrededor de superficies irregulares.

Hemos desarrollado la primera célula solar enrollable y totalmente imprimible del mundo hecha de perovskita, un material que es mucho menos costoso de producir que el silicio. Si también podemos mejorar su eficiencia, esto apunta a la posibilidad de fabricar células solares más baratas a una escala mucho mayor que nunca.

Las células solares de silicio que son tan reconocibles para nosotros tienen una limitación importante. Si se hiciera lo suficiente para cubrir nuestras necesidades, podríamos quedarnos sin los materiales para fabricarlos en 2050. Por lo tanto, necesitamos algo nuevo y mucho. La celda solar de perovskita está emergiendo para llenar ese vacío.

La perovskita es una estructura cristalina hecha con componentes inorgánicos y orgánicos, llamada así por Lev Perovski, un experto en minerales ruso de los siglos XVII y XVIII.

Las células solares de perovskita aparecieron por primera vez en los laboratorios de investigación en 2012 y llamaron la atención de los investigadores debido a dos factores: su capacidad para convertir la luz solar en electricidad y el potencial para crearlas a partir de una combinación de tintas.

En los laboratorios de investigación, utilizando métodos de producción altamente controlados en entornos donde el oxígeno y el agua se eliminan por completo, las células solares de perovskita ahora pueden igualar la generación de electricidad de las células solares de silicio. Este es un logro notable.

Pero las células solares de perovskita baratas que eliminan el silicio aún no se han fabricado a escala comercial. Entonces, ¿qué pasaría si estos materiales pudieran producirse usando los mismos tipos de procesos que usamos para imprimir empaques ordinarios?

Mis colegas y yo demostramos recientemente que un rollo de película plástica se puede cargar en una prensa de impresión, y las células solares de perovskita en funcionamiento emergen en el otro extremo. Sin embargo, no es tan simple como verter tinta en la impresora de escritorio.

Por un lado, los científicos han descubierto que para lograr eficiencias récord, las capas de semiconductor y perovskita en esta nueva forma de celda solar deben ser extremadamente delgadas, entre 50 y 500 nanómetros (alrededor de 500 veces más pequeñas que un cabello humano).

Además, las tintas utilizadas para imprimirlas requerían solventes altamente tóxicos. Pero, después de muchos años de esfuerzo, ahora hemos formulado tintas sin solventes tóxicos que son compatibles con el proceso de recubrimiento por ranura, una técnica industrial establecida que se usó originalmente para la producción de películas fotográficas.

La capa de perovskita impresa genera electrones libres a partir de la energía proporcionada por la luz que incide sobre ella. Luego, el semiconductor evita que la perovskita reabsorba estos electrones con una buena eficiencia de conversión de energía (la relación entre la energía óptica que entra y la energía eléctrica que sale).

Quedaba un problema: cómo extraer la carga eléctrica. En el pasado, esto se lograba calentando oro en el vacío hasta que se evaporaba y atrapando el vapor en la celda solar de perovskita para formar electrodos.

Adoptamos un enfoque diferente y creamos una tinta de carbono compatible tanto con el material de perovskita como con el proceso de recubrimiento por ranura. El resultado son grandes volúmenes de células solares enrollables y flexibles que salen de la imprenta listas para generar energía.

Las células solares de perovskita han demostrado un alto rendimiento en los laboratorios de investigación y ahora se ha demostrado que son capaces de dar el salto a la fabricación de alto volumen. Pero el trabajo aún no ha terminado.

La eficiencia de conversión de energía del 10 % lograda por estas celdas impresas enrollables es útil y superior a la de los primeros paneles de silicio comerciales. Pero va a la zaga de la típica eficiencia de conversión del 17 % de los paneles solares domésticos que se utilizan hoy en día.

Sabemos que hay más aumentos disponibles aprovechando la química de perovskita de mayor rendimiento.

Hay un desafío de ingeniería que superar para que los paneles solares de perovskita producidos comercialmente en gran volumen puedan igualar la generación de energía del silicio. También se requieren mejoras adicionales en la estabilidad de por vida de las células solares de perovskita, a través de una combinación de química, diseño de dispositivos y otras estrategias, como recubrimientos protectores y películas de barrera laminadas.

En resumen, la investigación debe centrarse en convertir lo que sucede en los laboratorios en dispositivos del mundo real. Pero la posibilidad de producir cientos de miles de metros cuadrados de células solares flexibles de perovskita está ahora un paso más cerca.