Las células solares de perovskita totalmente inorgánicas están construidas en varias capas. La capa inferior es de vidrio, que tiene varios milímetros de espesor. La segunda capa es un material conductor transparente llamado FTO. Luego viene una capa sensible a los electrones hecha de óxido de titanio. La cuarta capa es la perovskita fotoactiva. Finalmente, la capa superior es de carbono. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Las nuevas células solares de perovskita totalmente inorgánicas abordan tres desafíos clave en la tecnología de células solares:eficiencia, estabilidad, y costo.
Aprovechando la energía del sol, que emite una energía inmensamente poderosa desde el centro del sistema solar, es uno de los objetivos clave para lograr un suministro energético sostenible.
La energía luminosa se puede convertir directamente en electricidad mediante dispositivos eléctricos llamados células solares. Hasta la fecha, la mayoría de las células solares están hechas de silicio, un material que es muy bueno para absorber la luz. Pero los paneles de silicio son costosos de producir.
Los científicos han estado trabajando en una alternativa, hecho de estructuras de perovskita. Verdadera perovskita, un mineral que se encuentra en la tierra, está compuesto de calcio, titanio y oxígeno en una disposición molecular específica. Los materiales con esa misma estructura cristalina se denominan estructuras de perovskita.
Las estructuras de perovskita funcionan bien como la capa activa de captación de luz de una célula solar porque absorben la luz de manera eficiente pero son mucho más baratas que el silicio. También se pueden integrar en dispositivos utilizando equipos relativamente simples. Por ejemplo, se pueden disolver en solvente y rociar directamente sobre el sustrato.
Las células solares de perovskita aún no se han producido a escala comercial. En la actualidad, Las nuevas células solares de perovskita de la Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de la Superficie de la OIST son lo suficientemente pequeñas como para que el Dr. Liu las sostenga en la palma de su mano. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Los materiales hechos de estructuras de perovskita podrían revolucionar los dispositivos de células solares, pero tienen un grave inconveniente:a menudo son muy inestables, deterioro por exposición al calor. Esto ha obstaculizado su potencial comercial.
La Unidad de Materiales Energéticos y Ciencias de Superficies de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), dirigido por el profesor Yabing Qi, ha desarrollado dispositivos que utilizan un nuevo material de perovskita que es estable, eficiente y relativamente barato de producir, allanando el camino para su uso en las células solares del mañana. Su trabajo fue publicado recientemente en Materiales energéticos avanzados . Los eruditos postdoctorales Dr. Jia Liang y Dr. Zonghao Liu hicieron importantes contribuciones a este trabajo.
Este material tiene varias características clave. Primero, es completamente inorgánico, un cambio importante, porque los componentes orgánicos generalmente no son termoestables y se degradan con el calor. Dado que las células solares pueden calentarse mucho con el sol, la estabilidad térmica es crucial. Reemplazando las partes orgánicas con materiales inorgánicos, los investigadores hicieron que las células solares de perovskita fueran mucho más estables.
"Las células solares casi no cambian después de la exposición a la luz durante 300 horas, "dice el Dr. Zonghao Liu, un autor en el papel.
Dr. Longbin Qiu (izquierda) y Dr. Zonghao Liu (derecha), ambos investigadores postdoctorales de la Unidad de Ciencias de Materiales y Superficies Energéticos, sostienen células solares hechas de su nuevo material de perovskita. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Las células solares de perovskita totalmente inorgánicas tienden a tener una menor absorción de luz que los híbridos orgánicos-inorgánicos, sin embargo. Aquí es donde entra en juego la segunda característica:los investigadores de OIST doparon sus nuevas células con manganeso para mejorar su rendimiento. El manganeso cambia la estructura cristalina del material, potenciando su ligera capacidad de recolección.
"Al igual que cuando agrega sal a un plato para cambiar su sabor, cuando agregamos manganeso, cambia las propiedades de la célula solar, "dice Liu.
En tercer lugar, en estas celdas solares, los electrodos que transportan la corriente entre las células solares y los cables externos están hechos de carbono, en lugar del oro habitual. Dichos electrodos son significativamente más baratos y más fáciles de producir, en parte porque se pueden imprimir directamente en las células solares. Fabricación de electrodos de oro, por otra parte, requiere altas temperaturas y equipo especializado como una cámara de vacío.
Imagen de microscopía electrónica de células solares de perovskita, mostrando las diferentes capas. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Todavía hay una serie de desafíos que superar antes de que las células solares de perovskita se vuelvan tan comercialmente viables como las células solares de silicio. Por ejemplo, mientras que las células solares de perovskita pueden durar uno o dos años, Las células solares de silicio pueden funcionar durante 20 años.
Qi y sus colegas continúan trabajando en la eficiencia y durabilidad de estas nuevas células, y también están desarrollando el proceso de fabricación a escala comercial. Dada la rapidez con que se ha desarrollado la tecnología desde que se informó de la primera célula solar de perovskita en 2009, el futuro de estas nuevas células parece prometedor.
