Trazando un camino hacia células solares flexibles más baratas

- Feb 25, 2019-

Fuente: sciencedaily


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Un investigador de Georgia Tech posee una célula solar basada en perovskita, que es flexible y más liviana que las versiones basadas en silicona.

Crédito: Rob Felt, Georgia Tech


Hay muchas cosas que me gustan de las células solares basadas en perovskita. Son simples y baratos de producir, ofrecen una flexibilidad que podría desbloquear una amplia gama de métodos y lugares de instalación, y en los últimos años han alcanzado eficiencias energéticas que se acercan a las de las celdas tradicionales basadas en silicio.

Pero descubrir cómo producir dispositivos de energía basados en perovskita que duren más de un par de meses ha sido un desafío.

Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de California en San Diego y el Instituto de Tecnología de Massachusetts han informado sobre nuevos descubrimientos sobre las células solares de perovskita que podrían abrir el camino hacia dispositivos que funcionen mejor.

"Las células solares de Perovskite ofrecen muchas ventajas potenciales porque son extremadamente livianas y se pueden fabricar con sustratos plásticos flexibles", dijo Juan-Pablo Correa-Baena, profesor asistente de la Escuela de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Para poder competir en el mercado con células solares basadas en silicio, sin embargo, deben ser más eficientes".

En un estudio que se publicó el 8 de febrero en la revista Science y fue patrocinado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencia, los investigadores describieron con mayor detalle los mecanismos de cómo agregar metal alcalino a las perovskitas tradicionales conduce a un mejor desempeño.

"Perovskites realmente podría cambiar el juego en energía solar", dijo David Fenning, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego. "Tienen el potencial de reducir los costos sin renunciar al rendimiento. Pero todavía hay mucho que aprender fundamentalmente sobre estos materiales".

Para entender los cristales de perovskita, es útil pensar en su estructura cristalina como una tríada. Una parte de la tríada está formada típicamente por el elemento principal. El segundo se compone típicamente de un componente orgánico como el metilamonio, y el tercero a menudo se compone de otros haluros, como el bromo y el yodo.

En los últimos años, los investigadores se han centrado en probar diferentes recetas para lograr mejores eficiencias, como agregar yodo y bromo al componente principal de la estructura. Más tarde, intentaron sustituir el cesio y el rubidio por la parte de la perovskita típicamente ocupada por moléculas orgánicas.

"Sabíamos por el trabajo anterior que la adición de cesio y rubidio a una mezcla de bromo y yodo con perovskita conduce a una mejor estabilidad y mayor rendimiento", dijo Correa-Baena.

Pero poco se sabía acerca de por qué agregar esos metales alcalinos mejoró el rendimiento de las perovskitas.

Para entender exactamente por qué eso parecía funcionar, los investigadores utilizaron el mapeo de rayos X de alta intensidad para examinar las perovskitas en la nanoescala.

"Al observar la composición dentro del material de perovskita, podemos ver cómo cada elemento individual desempeña un papel en la mejora del rendimiento del dispositivo", dijo Yanqi (Grace) Luo, estudiante de doctorado en nanoingeniería en UC San Diego.

Descubrieron que cuando se añadían el cesio y el rubidio a la perovskita mixta de bromo y yodo, provocaba que el bromo y el yodo se mezclaran de manera más homogénea, lo que daba como resultado una eficiencia de conversión hasta un 2 por ciento mayor que los materiales sin estos aditivos.

"Encontramos que la uniformidad en la química y la estructura es lo que ayuda a que una célula solar de perovskita funcione a su máximo potencial", dijo Fenning. "Cualquier heterogeneidad en esa columna vertebral es como un eslabón débil en la cadena".

Aun así, los investigadores también observaron que si bien la adición de rubidio o cesio hacía que el bromo y el yodo se volvieran más homogéneos, los metales haluros en su propio catión permanecían bastante agrupados, creando "zonas muertas" inactivas en la célula solar que no producen corriente.

"Esto fue sorprendente", dijo Fenning. "Tener estas zonas muertas normalmente mataría una célula solar. En otros materiales, actúan como agujeros negros que absorben electrones de otras regiones y nunca los dejan ir, por lo que se pierde corriente y voltaje.

"Pero en estas perovskitas, vimos que las zonas muertas alrededor del rubidio y el cesio no eran demasiado perjudiciales para el rendimiento de las células solares, aunque había algunas pérdidas actuales", dijo Fenning. "Esto demuestra lo robustos que son estos materiales, pero también que hay aún más oportunidades de mejora".

Los hallazgos se suman a la comprensión de cómo funcionan los dispositivos basados en perovskita en la nanoescala y podrían sentar las bases para futuras mejoras.

"Estos materiales prometen ser muy rentables y de alto rendimiento, que es prácticamente lo que necesitamos para asegurarnos de que los paneles fotovoltaicos se desplieguen ampliamente", dijo Correa-Baena. "Queremos tratar de compensar los problemas del cambio climático, por lo que la idea es tener células fotovoltaicas que sean lo más baratas posible".