Las células solares convencionales todavía están compuestas de silicio. Crédito:unsplash
La perovskita semiconductora se considera una nueva esperanza para reducir el precio de producción de las células solares por debajo del del silicio utilizado hasta ahora. Empa está desarrollando nuevos procesos de fabricación para hacer que las células solares de perovskita no solo sean más baratas sino también más rápidas de producir y prepararlas para uso industrial.
Desde el desarrollo de la primera célula solar de perovskita en 2009, su eficiencia es ahora igual a la de una celda de silicio convencional. Sin embargo, todavía tenía algunas debilidades al principio; por ejemplo, por su estructura y los materiales utilizados, es muy sensible a la humedad, oxígeno, calor, Luz ultravioleta y estrés mecánico. Esto hace que la celda sea menos duradera. Michael Grätzel y Hongwei Han encontraron una solución a este problema en 2014, cuando los dos investigadores de la EPFL desarrollaron una célula con un marco mesoporoso de óxidos y carbono. Pero esta idea aún no era comercializable.
Al menos hasta ahora:Frank Nüesch, Jefe del Departamento de Polímeros Funcionales de Empa, y su equipo ha estado trabajando intensamente en los últimos años en nuevos procesos de fabricación precisamente para estas células solares con el fin de producirlas no solo más rápido sino también más barato. Para tal fin, los investigadores colaboraron con Solaronix SA, una empresa con sede en el oeste de Suiza, como parte de un proyecto de la Oficina Federal Suiza de Energía (SFOE). Juntos produjeron una célula de perovskita funcional a escala de laboratorio con una superficie de 10x10 cm.
Sección transversal a través de las diferentes capas de la célula solar de perovskita bajo el microscopio electrónico de barrido:las capas individuales son delgadas como una oblea, y los materiales porosos se "rellenaron" con perovskita en el paso final. Crédito:Empa
Troquel de ranura en lugar de serigrafía
Para la producción de esta novedosa célula de perovskita, Se utiliza el llamado proceso de troquelado. Aquí, la capa de material se aplica a un sustrato de vidrio y luego se estructura eliminando el exceso de material con un láser. "Con el nuevo proceso de recubrimiento, no solo podemos cubrirnos más rápido, sino que también determina el grosor de las capas de forma más flexible, "dice Nüesch. En el futuro, El proceso de troquelado permitirá recubrir bandas de un metro de longitud con relativa facilidad y rapidez. La velocidad de recubrimiento es también el elemento central en una posible industrialización de la producción de células de perovskita.
Un total de cinco capas de diferentes materiales, incluido el óxido de titanio, circonita y grafito, son necesarios para dicha celda. Mientras que en el proceso de serigrafía utilizado hasta ahora, Las capas deben secarse y sinterizarse (es decir, compactarse) individualmente, lo que requiere mucho tiempo y energía. En el proceso de troquel de ranura, todas las capas se pueden aplicar directamente una tras otra y sinterizar juntas. "Con este nuevo proceso podemos 'imprimir' siete veces más rápido que con el método de serigrafía anterior, "explica Nüesch. La célula solar de perovskita obtiene su toque final aplicando el absorbente de perovskita mediante impresión por inyección de tinta en el" Coating Competence Center "de Empa, la llamada infiltración. Aquí la perovskita ya no se aplica al sustrato como una capa sólida , pero se filtra a través de todas las capas porosas de la célula solar hasta el fondo.
La matriz de ranura aplica una capa de carbono al sustrato de vidrio. Esto permite que las cinco capas de la célula solar se apliquen una tras otra y se sequen juntas. Con el proceso de serigrafía convencional, cada capa tuvo que secarse por separado durante al menos una hora. Crédito:Empa
Una cooperación exitosa
Al desarrollar el nuevo proceso, el equipo de Empa trabajó en estrecha colaboración con los expertos de Solaronix. Son la fuente de las "tintas":conductores a nanoescala, semiconductores y aislantes:para imprimir al individuo, capas delgadas como una oblea de la célula solar. La dificultad para los investigadores de Empa fue preparar esta tinta de tal manera que fuera adecuada para el proceso de troquelado. Los distintos ajustes de la unidad de recubrimiento, como la velocidad del dado de ranura, el caudal y la distancia entre la matriz ranurada y el sustrato, también tuvo que coordinarse para lograr un resultado óptimo. Ahora han logrado hacer precisamente eso.
Una ventaja adicional de las células solares de perovskita producidas con este nuevo proceso es una vida útil más larga en comparación con las células de perovskita anteriores. En un próximo paso, Las pruebas de campo seguirán:a finales de 2020, las células solares de perovskita se montarán en el techo del edificio NEST en el campus de Empa en Dübendorf, donde tendrán que demostrar su valía en el uso diario.
