Fuente: cei.washington.edu/
¿Qué es una perovskita?
Una perovskita es un material que tiene la misma estructura cristalina que el óxido de titanio y calcio mineral, el cristal de perovskita descubierto por primera vez. Generalmente, los compuestos de perovskita tienen una fórmula química ABX3, donde 'A' y 'B' representan cationes y X es un anión que se une a ambos. Se pueden combinar una gran cantidad de elementos diferentes para formar estructuras de perovskita. Usando esta flexibilidad de composición, los científicos pueden diseñar cristales de perovskita para que tengan una amplia variedad de características físicas, ópticas y eléctricas. Los cristales de perovskita se encuentran hoy en máquinas de ultrasonido, chips de memoria y, ahora, células solares.
Esquema de la estructura de un cristal de perovskita. (Wikimedia Commons)
Aplicaciones de energía limpia de perovskitas
Todas las células solares fotovoltaicas se basan en semiconductores, materiales en el término medio entre los aislantes eléctricos como el vidrio y los conductores metálicos como el cobre, para convertir la energía de la luz en electricidad. La luz del sol excita los electrones en el material semiconductor, que fluyen hacia los electrodos conductores y producen corriente eléctrica.
El silicio ha sido el principal material semiconductor utilizado en las células solares desde la década de 1950, ya que sus propiedades semiconductoras se alinean bien con el espectro de los rayos del sol y es relativamente abundante y estable. Sin embargo, los grandes cristales de silicio utilizados en los paneles solares convencionales requieren un costoso proceso de fabricación de varios pasos que utiliza mucha energía. En la búsqueda de una alternativa, los científicos han aprovechado la capacidad de sintonización de las perovskitas para crear semiconductores con propiedades similares al silicio. Las células solares de perovskita se pueden fabricar utilizando técnicas simples de deposición aditiva, como la impresión, por una fracción del costo y la energía. Debido a la flexibilidad de composición de las perovskitas, también se pueden ajustar para que coincidan idealmente con el espectro del sol.
En 2012, los investigadores descubrieron por primera vez cómo hacer una célula solar estable de perovskita de película delgada con eficiencias de conversión de fotón a electrón de luz de más del 10%, utilizando perovskitas de haluro de plomo como capa absorbente de luz. Desde entonces, la eficiencia de conversión de luz solar a energía eléctrica de las células solares de perovskita se ha disparado, con un récord de laboratorio del 25,2%. Los investigadores también están combinando células solares de perovskita con células solares de silicio convencionales; las eficiencias récord para estas células en tándem de "perovskita sobre silicio" son actualmente del 29,1% (superando el récord del 27% para las células de silicio convencionales) y están aumentando rápidamente. Con este rápido aumento en la eficiencia de las células, las células solares de perovskita y las células solares en tándem de perovskita pronto se convertirán en alternativas baratas y altamente eficientes a las células solares de silicio convencionales.
Una sección transversal de una célula solar de perovskita. (Instituto de Energía Limpia)
¿Cuáles son algunos de los objetivos de investigación actuales?
Si bien las células solares de perovskita, incluida la perovskita en tándems de silicio, están siendo comercializadas por docenas de empresas en todo el mundo, todavía hay desafíos de ciencia e ingeniería básicos que abordar y que pueden mejorar su rendimiento, confiabilidad y capacidad de fabricación.
Algunos investigadores de perovskita continúan impulsando las eficiencias de conversión al caracterizar defectos en la perovskita. Si bien los semiconductores de perovskita son notablemente tolerantes a los defectos, los defectos aún afectan negativamente el rendimiento, especialmente los que ocurren en la superficie de la capa activa. Otros investigadores están explorando nuevas formulaciones químicas de perovskita, tanto para ajustar sus propiedades electrónicas para aplicaciones específicas (como pilas de células en tándem) como para mejorar aún más su estabilidad y vida útil.
Los investigadores también están trabajando en nuevos diseños de células, nuevas estrategias de encapsulación para proteger las perovskitas del medio ambiente y para comprender las vías básicas de degradación para poder utilizar estudios de envejecimiento acelerado para predecir cómo durarán las células solares de perovskita en los tejados. Otros están explorando rápidamente una variedad de procesos de fabricación, incluida la forma de adaptar las “tintas” de perovskita a los métodos establecidos de impresión de soluciones a gran escala. Por último, aunque las perovskitas de mejor rendimiento se fabrican actualmente con una pequeña cantidad de plomo, los investigadores también están explorando composiciones alternativas y nuevas estrategias de encapsulación para mitigar las preocupaciones asociadas con la toxicidad del plomo.
¿Cómo está avanzando CEI perovskitas?
Los cristales de perovskita a menudo exhiben defectos a escala atómica que pueden reducir la eficiencia de conversión solar. El científico jefe de CEI y profesor de química David Ginger ha desarrollado técnicas de "pasivación", tratando perovskitas con diferentes compuestos químicos para curar estos defectos. Pero cuando los cristales de perovskita se ensamblan en células solares, los electrodos recolectores de corriente pueden crear defectos adicionales. En 2019, Ginger y sus colaboradores de Georgia Tech recibieron fondos de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar nuevas estrategias de pasivación y nuevos materiales de recolección de carga, lo que permite que las células solares de perovskita alcancen su máximo potencial de eficiencia sin dejar de ser compatibles. con fabricación de bajo costo.
El profesor de química Daniel Gamelin y su grupo tienen como objetivo modificar las células solares de silicio con recubrimientos de perovskita para recolectar fotones de alta energía de luz azul de manera más eficiente, evitando el límite teórico del 33% de conversión para las células de silicio convencionales. Gamelin y su equipo han desarrollado puntos cuánticos de perovskita, partículas diminutas miles de veces más pequeñas que un cabello humano, que pueden absorber fotones de alta energía y emitir el doble de fotones de baja energía, un proceso denominado "corte cuántico". Cada fotón absorbido por una célula solar genera un electrón, por lo que el recubrimiento de puntos cuánticos de perovskita podría aumentar drásticamente la eficiencia de conversión.
Gamelin y su equipo han formado una empresa derivada llamada BlueDot Photonics para comercializar la tecnología. Con fondos de SETO, Gamelin y BlueDot están desarrollando técnicas de deposición para crear películas delgadas de materiales de perovskita para células solares de gran superficie y para mejorar las células solares de silicio convencionales.
El profesor de ingeniería química Hugh Hillhouse está utilizando algoritmos de aprendizaje automático para ayudar en la investigación de perovskitas. Usando fotoluminiscencia capturada por video de alta velocidad, Hillhouse y su grupo están probando una variedad de perovskitas híbridas para estabilidad a largo plazo. Estos experimentos generan enormes conjuntos de datos, pero al utilizar el aprendizaje automático, su objetivo es generar un modelo predictivo de degradación para las células solares de perovskita. Este modelo puede ayudarlos a optimizar la composición química y la estructura de una célula solar de perovskita para una estabilidad a largo plazo, una barrera clave para la comercialización.
En Washington Clean Energy Testbeds, un laboratorio de acceso abierto operado por CEI, los investigadores y empresarios pueden utilizar equipos de última generación para desarrollar, probar y escalar tecnologías como las células solares de perovskita. Usando la impresora rollo a rollo en los Testbeds, las tintas de perovskita se pueden imprimir a bajas temperaturas sobre sustratos flexibles. Director técnico de Testbeds J. Devin MacKenzie, profesor de ciencia de los materiales& Ingeniería e ingeniería mecánica en UW, es un experto en materiales y técnicas para la fabricación de alto rendimiento y baja huella de carbono. Uno de los proyectos más activos de su grupo, también financiado por SETO, es el desarrollo de instrumentos in situ que pueden medir el crecimiento de los cristales de perovskita a medida que se depositan rápidamente durante la impresión de rollo a rollo. Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), el grupo de MacKenzie también está utilizando la impresora de mayor resolución del mundo para desarrollar nuevos electrodos para extraer la corriente eléctrica de las células solares de perovskita sin bloquear la entrada de la luz solar en la célula.
El director técnico de Washington Clean Energy Testbeds, J. Devin MacKenzie, hizo una demostración de la impresora de múltiples etapas de rollo a rollo de Testbeds para electrónica flexible. (Instituto de Energía Limpia)
