Los científicos aumentan la estabilidad y la eficiencia de la tecnología solar de próxima generación

- Jul 29, 2020-

Fuente: oist.jp


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Investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han creado módulos solares de próxima generación con alta eficiencia y buena estabilidad. Fabricados con un tipo de material llamado perovskitas, estos módulos solares pueden mantener un alto rendimiento durante más de 2000 horas. Sus hallazgos, informados el 20 de julio de 2020 en la revista líder, Nature Energy, han mejorado las perspectivas de comercialización.


Las perovskitas tienen el potencial de revolucionar la industria de la tecnología solar. Flexibles y livianos, prometen más versatilidad que las células pesadas y rígidas basadas en silicio que actualmente dominan el mercado. Pero los científicos deben superar algunos obstáculos importantes antes de que las perovskitas puedan comercializarse.


"Hay tres condiciones que deben cumplir las perovskitas: deben ser baratas de producir, altamente eficientes y tener una larga vida útil", dijo el profesor Yabing Qi, jefe de la OISTUnidad de Materiales Energéticos y Ciencias de la Superficie, quien dirigió este estudio.


Una demostración de una célula solar de perovskita


El costo de hacer células solares de perovskita es bajo, ya que las materias primas baratas requieren poca energía para procesarse. Y en poco más de una década, los científicos han hecho grandes avances para mejorar la eficacia con la que las células solares de perovskita convierten la luz solar en electricidad, con niveles de eficiencia ahora comparables a los de las células a base de silicio.


Sin embargo, una vez que se amplió de pequeñas células solares a módulos solares más grandes, los niveles de eficiencia de las perovskitas caen en picado. Esto es problemático ya que la tecnología solar comercial necesita mantenerse eficiente en el tamaño de los paneles solares, de varios pies de longitud.


“La ampliación es muy exigente; cualquier defecto en el material se vuelve más pronunciado, por lo que necesita materiales de alta calidad y mejores técnicas de fabricación ", explicó el Dr. Luis Ono, coautor de este estudio.


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(Izquierda) La Unidad de Materiales de Energía y Ciencias de Superficie de OIST trabaja con células solares y módulos de diferentes tamaños. (Derecha) En este estudio, los científicos trabajaron con módulos solares de 5 cm x 5 cm.


La inestabilidad de las perovskitas es otro tema clave bajo una intensa investigación. Las células solares comerciales deben ser capaces de soportar años de operación, pero actualmente las células solares de perovskita se degradan rápidamente.


Construyendo las capas

El equipo del profesor Qi, con el apoyo del Programa de Prueba de Concepto del Centro de Desarrollo e Innovación Tecnológica OIST, abordó estos problemas de estabilidad y eficiencia utilizando un nuevo enfoque. Los dispositivos solares de perovskita están formados por múltiples capas, cada una con una función específica. En lugar de centrarse en una sola capa, observaron el rendimiento general del dispositivo y cómo las capas interactúan entre sí.


La capa activa de perovskita, que absorbe la luz solar, se encuentra en el centro del dispositivo, intercalada entre las otras capas. Cuando los fotones de luz golpean la capa de perovskita, los electrones cargados negativamente aprovechan esta energía y "saltan" a un nivel de energía más alto, dejando atrás "agujeros" cargados positivamente donde solían estar los electrones. Estas cargas se desvían en direcciones opuestas en capas de transporte de electrones y agujeros por encima y por debajo de la capa activa. Esto crea un flujo de carga, o electricidad, que puede salir del dispositivo solar a través de electrodos. El dispositivo también está encapsulado por una capa protectora que reduce la degradación y evita que los químicos tóxicos se filtren al medio ambiente.


Las células y módulos solares de perovskita consisten en muchas capas, cada una de las cuales tiene una función específica. Los científicos agregaron o modificaron las capas resaltadas en naranja.


En el estudio, los científicos trabajaron con módulos solares de 22,4 cm2.


Los científicos primero mejoraron la interfaz entre la capa activa de perovskita y la capa de transporte de electrones, al agregar un químico llamado EDTAK entre las dos capas. Descubrieron que EDTAK evitaba que la capa de transporte de electrones de óxido de estaño reaccionara con la capa activa de perovskita, aumentando la estabilidad del módulo solar.


El EDTAK también mejoró la eficiencia del módulo solar de perovskita de dos maneras diferentes. En primer lugar, el potasio en el EDTAK se trasladó a la capa de perovskita activa y "curó" pequeños defectos en la superficie de la perovskita. Esto evitó que estos defectos atraparan los electrones y agujeros en movimiento, lo que permitió generar más electricidad. El EDTAK también aumentó el rendimiento al mejorar las propiedades conductoras de la capa de transporte de electrones de óxido de estaño, lo que facilita la recolección de electrones de la capa de perovskita.


Los científicos realizaron mejoras similares en la interfaz entre la capa activa de perovskita y la capa de transporte de agujeros. Esta vez, agregaron un tipo de perovskita llamada EAMA entre las capas, lo que mejoró la capacidad de la capa de transporte de agujeros para recibir agujeros.


El dispositivo tratado con EAMA también mostró una mejor estabilidad bajo pruebas de humedad y temperatura. Esto se debió a cómo EAMA interactúa con la superficie de la capa activa de perovskita, que es un mosaico de granos de cristal. En dispositivos solares sin EAMA, los científicos vieron que se formaron grietas en la superficie de la capa activa, que se originó a partir de los límites entre estos granos. Cuando los científicos agregaron EAMA, observaron que el material de perovskita adicional llenó los límites de los granos y evitó la entrada de humedad, evitando que se formen estas grietas.


El equipo también modificó la capa de transporte del pozo, al mezclar una pequeña cantidad de polímero llamada PH3T. Este polímero aumentó la resistencia a la humedad al proporcionar a la capa propiedades repelentes al agua.


El polímero también resolvió un problema importante que anteriormente había obstaculizado las mejoras a la estabilidad a largo plazo. El electrodo en la parte superior del módulo solar de perovskita está formado por delgadas tiras de oro. Pero con el tiempo, pequeñas partículas de oro migran desde el electrodo, a través de la capa de transporte del orificio y hacia la capa de perovskita activa. Esto perjudica irreversiblemente el rendimiento del dispositivo.


Cuando los investigadores incorporaron PH3T, encontraron que las partículas de oro migraron al dispositivo más lentamente, lo que aumentó significativamente la vida útil del módulo.


Para su mejora final, los científicos agregaron una capa delgada de polímero, parileno, además de vidrio, para proporcionar una capa protectora al módulo solar. Con esta protección adicional, los módulos solares mantuvieron aproximadamente 86% de su rendimiento inicial, incluso después de 2000 horas de iluminación constante.


En colaboración con el Dr. Said Kazaoui del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), el equipo de OIST probó los módulos solares mejorados y obtuvo una eficiencia del 16,6%, una eficiencia muy alta para un módulo solar de ese tamaño. Los investigadores ahora apuntan a llevar a cabo estas modificaciones en módulos solares más grandes, liderando el camino hacia el desarrollo de tecnología solar comercial a gran escala en el futuro.


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De izquierda a derecha: Prof. Yabing Qi, Dr. Zonghao Liu, Dr. Luis K. Ono,Dr. Dae-Yong Son, Dr. Sisi He y Dr. Longbin Qiu.