Los investigadores de energía solar de la Universidad Estatal de Oregón están centrando su atención científica en materiales con una estructura cristalina descubierta hace casi dos siglos.

No todos los materiales con la estructura, conocidas como perovskitas, son semiconductores. Pero las perovskitas basadas en un metal y un halógeno son, y tienen un enorme potencial como células fotovoltaicas que podrían ser mucho menos costosas de fabricar que las células basadas en silicio que han dominado el mercado desde sus inicios en la década de 1950.

Suficiente potencial, los investigadores dicen, para tal vez algún día tallar significativamente en la participación de los combustibles fósiles en el sector energético.

John Labram de la Facultad de Ingeniería de OSU es el autor correspondiente de dos artículos recientes sobre la estabilidad de la perovskita, en Física de las comunicaciones y el Revista de letras de química física , y también contribuyó a un artículo publicado hoy en Ciencias .

El estudio en Ciencias , dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, reveló que un aditivo molecular, una sal basada en el compuesto orgánico piperidina, mejora en gran medida la longevidad de las células solares de perovskita.

Los hallazgos descritos en los tres artículos profundizan la comprensión de un semiconductor prometedor que surge de un descubrimiento de hace mucho tiempo por un mineralogista ruso. En los Montes Urales en 1839, Gustav Rose encontró un óxido de calcio y titanio con una estructura cristalina intrigante y lo nombró en honor al noble ruso Lev Perovski.

La perovskita ahora se refiere a una gama de materiales que comparten la red cristalina del original. El interés en ellos comenzó a acelerarse en 2009 después de que un científico japonés, Tsutomu Miyasaka, descubrió que algunas perovskitas son eficaces absorbentes de luz.

"Debido a su bajo costo, Las células solares de perovskita tienen el potencial de socavar los combustibles fósiles y revolucionar el mercado energético. ", Dijo Labram." Un aspecto poco entendido de esta nueva clase de materiales, sin embargo, es su estabilidad bajo iluminación constante, un tema que representa una barrera para la comercialización ".

Durante los últimos dos años, El grupo de investigación de Labram en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación ha construido aparatos experimentales únicos para estudiar los cambios en la conductancia de los materiales solares a lo largo del tiempo.

"Trabajando en equipo con la Universidad de Oxford, demostramos que la inestabilidad inducida por la luz ocurre durante muchas horas, incluso en ausencia de contacto eléctrico, ", dijo." Los hallazgos ayudan a aclarar resultados similares observados en las células solares y son la clave para mejorar la estabilidad y la viabilidad comercial de las células solares de perovskita ".

La eficiencia de la celda solar se define por el porcentaje de energía de la luz solar que llega a una celda y que se convierte en energía eléctrica utilizable.

Hace siete décadas, Bell Labs desarrolló la primera celda solar práctica. Tenía un modesto según los estándares actuales, eficiencia del 6% y costoso de fabricar, pero encontró un nicho en el suministro de energía a los satélites lanzados durante los primeros días de la carrera espacial.

Tiempo extraordinario, los costos de fabricación disminuyeron y la eficiencia aumentó, aunque la mayoría de las células no han cambiado mucho, todavía constan de dos capas de silicio casi puro dopado con un aditivo. Absorbe la luz, utilizan la energía de él para crear una corriente eléctrica a través de la unión entre ellos.

En 2012, uno de los colaboradores de Labram, Henry Snaith de Oxford, hizo el gran descubrimiento de que las perovskitas podrían usarse como el componente principal en las células solares, en lugar de solo como sensibilizador. Esto provocó una gran actividad investigadora y cada año se publicaron miles de artículos científicos sobre el tema. Ocho años de investigación después, Las células de perovskita ahora pueden operar con una eficiencia del 25%, lo que las convierte en al menos en el laboratorio, a la par con las células de silicio comerciales.

Las células de perovskita pueden fabricarse de forma económica a partir de productos químicos y metales industriales comúnmente disponibles y pueden imprimirse en películas flexibles de plástico y producirse en masa. Células de silicio, en cambio, son rígidos y están hechos de obleas en rodajas finas de silicio casi puro en un costoso, proceso de alta temperatura.

Un problema con las perovskitas es su tendencia a ser algo inestable cuando aumentan las temperaturas, y otro es la vulnerabilidad a la humedad, una combinación que puede hacer que las células se descompongan. Eso es un problema para un producto que necesita durar dos o tres décadas al aire libre.

"En general, para poder vender un panel solar en los EE. UU. y Europa se requiere una garantía de 25 años, "Dijo Labram." Lo que eso significa en realidad es que la célula solar debería mostrar no menos del 80% de su rendimiento original después de 25 años. La tecnología actual, silicio, es bastante bueno para eso. Pero el silicio tiene que producirse con un coste elevado a temperaturas superiores a 2, 000 grados Celsius en condiciones controladas, para formar perfecto, cristales sin defectos, para que funcionen correctamente ".

Las perovskitas, por otro lado, son altamente tolerantes a los defectos, Dijo Labram.

"Se pueden disolver en un solvente, luego se imprime cerca de la temperatura ambiente, ", dijo." Esto significa que eventualmente podrían producirse a una fracción del costo del silicio, y por lo tanto socavar los combustibles fósiles. Sin embargo, Para que esto suceda, deben ser certificables con una garantía de 25 años. Esto requiere que comprendamos y mejoremos la estabilidad de estos materiales ".

Un camino hacia el mercado es una celda en tándem hecha de silicio y perovskitas que podría convertir más del espectro de la luz solar en energía. Las pruebas de laboratorio en celdas en tándem han producido eficiencias del 28%, y las eficiencias a mediados de los 30 parecen realistas, Dijo Labram.

"Las células en tándem podrían permitir a los productores de paneles solares ofrecer un rendimiento más allá de lo que el silicio por sí solo podría lograr, ", dijo." El enfoque dual podría ayudar a eliminar la barrera para la entrada de perovskitas al mercado, en el camino hacia las perovskitas que eventualmente actúan como células independientes ".

Semitransparente, Las películas de perovskita también se pueden usar algún día en ventanas, o en invernaderos, convertir parte de la luz solar entrante en electricidad mientras deja pasar el resto.

"Cuando se trata de generación de energía, el costo es el factor más importante, "Dijo Labram." El silicio y las perovskitas ahora muestran aproximadamente la misma eficiencia. A largo plazo, sin embargo, Las células solares de perovskita tienen el potencial de fabricarse a una fracción del costo de las células solares de silicio. Y aunque la historia nos ha demostrado que la acción política sobre el cambio climático es en gran medida ineficaz, si puede generar electricidad a partir de fuentes renovables a un costo menor que los combustibles fósiles, todo lo que tienes que hacer es hacer el producto, entonces el mercado se ocupará del resto ".