Impresión de celdas solares en películas delgadas para una energía solar más económica y eficiente

Por Swansea University 14 de julio de 2020

Recubrimiento de rollo a rollo en dos pasos de películas delgadas de perovskita en la Universidad de Swansea, donde los investigadores del proyecto SPECIFIC han logrado niveles récord de eficiencia para las células solares impresas. Crédito: ESPECÍFICO/Universidad de Swansea

Paso clave hacia una energía solar más barata y eficaz.

Un nuevo estudio informa la mayor eficiencia jamás registrada para las células solares de perovskita (PSC) impresas de rollo a rollo, lo que marca un paso clave en el camino hacia formas más económicas y eficientes de generar energía solar.

Un equipo del Centro de conocimiento e innovación SPECIFIC de la Universidad de Swansea, dirigido por el profesor Trystan Watson, ha informado sobre el uso de un método de fabricación rollo a rollo para cuatro capas de PSC recubiertas con ranuras.

Los PSC proporcionaron una potencia de salida estable del 12,2 %, la eficiencia más alta registrada hasta la fecha para cuatro capas de PSC impresos de rollo a rollo.

Los PSC, recién llegados a la industria fotovoltaica, han captado una notable atención por parte de investigadores de todo el mundo. Con una eficiencia que alcanza niveles similares a los de la energía fotovoltaica (PV) de silicio, el actual líder del mercado, la atención se ha desviado hacia la ampliación de los PSC.

Las películas delgadas y flexibles con células solares impresas son un paso clave hacia una energía solar más barata y eficiente: los investigadores de la Universidad de Swansea han demostrado niveles récord de eficiencia para las células solares de perovskita. Crédito: ESPECÍFICO/Universidad de Swansea

A diferencia de la fotovoltaica de silicio, que requiere deposiciones a alta temperatura y alto vacío, las PSC se pueden procesar en solución a baja temperatura, lo que reduce significativamente el costo de fabricación.

El procesamiento a baja temperatura hace posible el uso de sustratos de plástico para crear células solares flexibles.

La capacidad de proceso de solución brinda la oportunidad de aplicar varias técnicas de impresión y recubrimiento bien desarrolladas:

Estas ventajas hicieron posible que los investigadores de la Universidad de Swansea utilizaran la fabricación rollo a rollo para cuatro capas de PSC.

El recubrimiento con matriz ranurada ofrece varias ventajas sobre las alternativas: es una técnica premedida, lo que significa que el espesor de la película húmeda se puede controlar antes del recubrimiento. También es muy eficiente en el uso del material, con una pérdida mínima de material en comparación con el revestimiento por pulverización o la serigrafía.

El uso de los solventes tóxicos necesarios a escala industrial requiere mucho manejo del aire para mantenerse por debajo de los límites de seguridad, lo que puede generar gastos significativos e innecesarios. Por esta razón, se utilizó un sistema a base de acetonitrilo. Este sistema tiene una ventaja reológica debido a la baja viscosidad y la baja tensión superficial, lo que da como resultado mejores recubrimientos.

Junto con esto, se introdujo una mezcla ternaria de solventes de alto límite de exposición en el lugar de trabajo, que reemplazó al clorobenceno para la deposición del material de transporte de agujeros. En esta investigación, los PSC dieron una salida de potencia estable del 12,2 %, que es la eficiencia más alta reportada para cuatro capas de PSC impresos de rollo a rollo.

Una celda solar completa para una arquitectura elegida requiere un recubrimiento de cinco capas. En este caso, se recubrieron cuatro capas con revestimiento de matriz ranurada y el contacto superior se colocó con evaporación térmica. Todavía no se ha logrado recubrir con matriz de ranura el quinto contacto (superior) sin destruir ninguna capa debajo. Resolver esto permitiría la fabricación de un PSC completamente impreso rollo a rollo.

Rahul Patidar de SPECIFIC, investigador principal del proyecto, dijo:

"Las células solares de perovskita tienen como objetivo aumentar la eficiencia y reducir el costo de la generación de energía solar tradicional. Tienen el potencial de ser altamente eficientes y relativamente baratas de fabricar, por lo que el objetivo es mejorar los métodos de fabricación para la ampliación.

Este estudio significa el siguiente paso hacia la comercialización".

La investigación fue publicada en Energía Sostenible y Combustibles.

Referencia: "Células solares de perovskita P-I-N recubiertas con matriz de ranura rollo a rollo que utilizan un sistema de solvente de perovskita de un solo paso basado en acetonitrilo" por Daniel Burkitt, Rahul Patidar, Peter Greenwood, Katherine Hooper, James McGettrick, Stoichko Dimitrov, Matteo Colombo , Vasil Stoichkov, David Richards, David Beynon, Matthew Davies y Trystan Watson, 4 de mayo de 2020, Energía y combustibles sostenibles.DOI: 10.1039/D0SE00460J

SPECIFIC Innovation & Knowledge Center tiene como objetivo reducir las emisiones de carbono de los edificios mediante el desarrollo de una gama de tecnologías que utilizan energía solar para generar, almacenar y liberar calor y electricidad en los edificios. El centro trabaja en todas las escalas, desde la ciencia de laboratorio fundamental hasta la demostración a gran escala en edificios, y trabaja con socios de la industria para llevar nuevas tecnologías al mercado. SPECIFIC está dirigido por la Universidad de Swansea y está financiado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional a través del Gobierno de Gales, Innovate UK y EPSRC.