Células solares de perovskita, ¿un futuro solar?

La producción de electricidad a partir de la energía del sol nos afecta a todos. Desde que se descubrió el efecto fotoeléctrico, que permite transformar cuantos de energía llamados fotones en cargas eléctricas, la búsqueda de tecnologías avanzadas para mejorar cada vez más la eficiencia de los sistemas de conversión ha ido en constante evolución.

Si una célula fotovoltaica consigue transformar la electricidad en electricidad alrededor del 30% de la energía primaria del sol, es fácil comprender cuánto de ella se desperdicia por pérdidas en la distribución de las cargas dentro de la propia celda y por la transformación en calor de parte de la energía (que además sobrecalienta el componente, reduciendo su tiempo de vida útil) .

Actualmente se están estudiando muchas soluciones (llamadas Generación III de células fotovoltaicas):

  • Células multiunión: fabricado con múltiples capas que permiten absorber fotones a diferentes energías, reducir pérdidas.
  • Células de concentración: a través de una especie de cono invertido, cuya punta se coloca en el centro de la celda, los rayos del sol se concentran en un solo punto, reduciendo las pérdidas por disipación del haz de luz.
  • «Células térmicas»: utiliza el calor producido por los fotones que inciden en la superficie de la celda para aumentar los valores de voltaje y corriente que hacen que el componente funcione. Aumenta la eficiencia y utiliza energía que de otro modo se perdería.
  • Polímeros semiconductores: son materiales con bajo costo de tratamiento y producción, sin embargo tienen bajas eficiencias.

Las células tradicionales, y en gran medida también las tres primeras enumeradas anteriormente, están fabricadas con un material escaso en nuestro planeta y que tiene unos costes de producción muy elevados: el silicio (Si). Para la producción de celdas fotovoltaicas, el material debe ser de alta calidad, necesita altas temperaturas para ser trabajado, requiere un alto requerimiento de energía para operar pero tiene costos laborales decrecientes.

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El silicio puede ser cristalino o amorfo, en el primer caso el procesamiento del material se divide en unas diez fases, en el segundo la modificación del mineral tiene tiempos menos consistentes, pero también menores rendimientos.

¿Por qué la perovskita es mejor que el silicio?

La investigadora del Instituto Italiano de Tecnologías, Annamaria Petrozza, junto con un colega de la Universidad de Oxford, Henry Snaith, ha publicado en la prestigiosa revista Science un estudio relativo a un material que podría revolucionar el mercado de las células fotovoltaicas: la perovskita.

Material descubierto en 1840 por un explorador ruso en los Urales, es un mineral formado por cristales cúbicos opacos. Tiene una estructura cristalina, formada por un doble óxido de calcio y titanio. Es un excelente conductor y tiene una gran capacidad para absorber la luz, lo que lo hace ideal para la creación de nuevos sistemas de transformación y transporte de energía.

En particular, la principal diferencia entre el silicio y la perovskita es que esta última permite que las cargas generadas por el haz de luz incidente recorran mayores distancias en su interior que el silicio, de forma que aumenta el tiempo de permanencia de la carga en el interior del panel fotoabsorbente, asegurando mayor almacenamiento de energía. Esta propiedad permite que las celdas de perovskita sean mucho más delgadas y compactas que las tradicionales..

Por citar algunas cifras: “las cargas generadas por la luz captada por el panel recorren distancias superiores a un micrómetro, una distancia enorme en el mundo de las nanotecnologías. Mientras que los paneles solares de silicio, actualmente utilizados, tienen un espesor alrededor de 180 micrómetroslas células solares de perovskita tienen menos de un micrómetro de espesor.

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Esto es posible porque las celdas hechas de este material se pueden hacer esparciendo el pigmento sobre una hoja de vidrio o metal, usando algunas otras capas de materiales para facilitar el movimiento de electrones a través de la celda (la capa que alberga los contactos eléctricos). .” ¡Y todo para producir la misma cantidad de energía!

El ensayo del equipo de investigadores explica cómo, gracias a determinadas células híbridas, será posible cambiar a rendimientos superiores de hasta un 15 % en comparación con los que se utilizan actualmente. Pensar que en 2009 las células de perovskita asumieron valores de eficiencia en torno al 3,5%, nos hace comprender lo rápido que ha evolucionado esta tecnología.

¡El elemento que más ha influido en este aumento excepcional del rendimiento es la presión! Los resultados de los experimentos realizados sugieren que es posible aumentar el voltaje de las células solares de perovskita aplicando una presión externa.

Cuando el material se somete a alta presión, la capacidad de conducción de electrones aumenta. La compresión se puede lograr por métodos químicos o mecánicos. Este descubrimiento aumentará significativamente la eficiencia de las células tándem (multiunión), asegurando la disminución de la cantidad de radiación solar que se pierde en forma de calor y no se convierte en energía.

Otro factor que hace aún más competitiva a esta tecnología es el reciente descubrimiento que permitiría la autorreparación en ausencia de luz. Por muy eficientes que sean, las células solares están condenadas a sufrir diversos tipos de desgaste durante su funcionamiento.

Parece que la fotodegradación de los paneles no es un daño irreparable, sino simplemente reversible, porque se debe a la simple acumulación de cargas, que reducen la fotocorriente. Dejando el dispositivo en la oscuridad durante varios minutos, evacuará las cargas atrapadas, regenerándose.

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¿Serán entonces los paneles de perovskita capaces de ser competitivos en términos de eficiencia con los de silicio? En caso afirmativo, necesariamente se convertirán en la tecnología del futuro, ya que ya son mucho más baratos hoy en día.

Pablo Ruiz