Un equipo de investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto ha aprovechado la mecánica cuántica para optimizar la capa activa dentro de un dispositivo conocido como célula solar de perovskita invertida, una tecnología que algún día podría resultar en células solares para el mercado masivo que cuestan una fracción de los que hay actualmente en el mercado.

En la actualidad, prácticamente todas las células solares comerciales están hechas de silicio de alta pureza, cuya producción requiere una cantidad significativa de energía. Pero los investigadores de todo el mundo están experimentando con tecnologías solares alternativas que podrían fabricarse e instalarse con menos energía y a un costo más bajo.

Una de estas alternativas, que se está estudiando en el laboratorio de Sargent Group, se conoce como perovskita. El poder de los materiales de perovskita proviene de su estructura cristalina única, que les permite absorber la luz en una capa muy delgada y convertirla en electricidad de manera eficiente.

"Los cristales de perovskita se fabrican a partir de una tinta líquida y se revisten sobre superficies usando tecnología que ya está bien establecida en la industria, como la impresión de rollo a rollo", dice Hao Chen, investigador postdoctoral en el laboratorio de Sargent y uno de los cuatro co -autores principales de un nuevo artículo publicado en Nature Photonics .

"Debido a esto, las células solares de perovskita tienen el potencial de ser producidas en masa a un costo de energía mucho más bajo que el silicio. El desafío es que, en este momento, las células solares de perovskita van a la zaga de las células de silicio tradicionales en cuanto a estabilidad. En este estudio, nuestro objetivo fue cerrar esa brecha. "

Chen, junto con sus coautores principales, Ph.D. el candidato Sam Teale y los investigadores postdoctorales Bin Chen y Yi Hou— están utilizando una estrategia basada en una estructura de celda solar invertida.

En la mayoría de los prototipos de células solares de perovskita, los electrones salen a través de un electrodo negativo en la capa inferior de la célula, y los "agujeros" que dejan salen a través de un electrodo positivo en la parte superior.

La inversión de esta disposición permite el uso de técnicas de fabricación alternativas y las investigaciones anteriores han demostrado que pueden mejorar la estabilidad de la capa de perovskita. Pero el cambio tiene un costo en términos de rendimiento.

"Es difícil lograr un buen contacto entre la capa de perovskita y el electrodo superior", dice Chen. "Para resolver esto, los investigadores suelen insertar una capa de pasivación hecha de moléculas orgánicas. Eso funciona muy bien en la orientación tradicional, porque los 'agujeros' pueden atravesar esta capa de pasivación. Pero esta capa bloquea los electrones, así que cuando inviertes la célula se convierte en un gran problema".

El equipo superó esta limitación aprovechando la mecánica cuántica, el principio físico que establece que el comportamiento de los materiales en escalas de longitud muy pequeñas es diferente de lo que se observa en escalas más grandes.

"En nuestro prototipo de células solares, las perovskitas están confinadas en una capa extremadamente delgada, de solo uno a tres cristales de altura", dice Teale. "Esta forma bidimensional nos permite acceder a propiedades asociadas con la mecánica cuántica. Podemos controlar, por ejemplo, qué longitudes de onda de luz absorben las perovskitas o cómo se mueven los electrones dentro de la capa".

El equipo primero utilizó una técnica química establecida por otros grupos para producir una superficie de perovskita bidimensional sobre su celda solar. Esto permitió que la capa de perovskita lograra la pasivación por sí sola, eliminando por completo la necesidad de la capa orgánica.

Para superar el efecto de bloqueo de electrones, el equipo aumentó el grosor de la capa de perovskita de un cristal de altura a tres. Las simulaciones por computadora habían demostrado que este cambio alteraría el panorama energético lo suficiente como para permitir que los electrones escapen a un circuito externo, una predicción que se confirmó en el laboratorio.

La eficiencia de conversión de energía de las celdas del equipo se midió en 23,9 por ciento, un nivel que no disminuyó después de 1000 horas de funcionamiento a temperatura ambiente. Incluso cuando se sometió a un proceso de envejecimiento acelerado estándar de la industria a temperaturas de hasta 65 C, el rendimiento solo disminuyó un ocho por ciento después de más de 500 horas de uso.

El trabajo futuro se centrará en aumentar aún más la estabilidad de las células, incluso a temperaturas aún más altas. Al equipo también le gustaría construir celdas con un área de superficie más grande, ya que las celdas actuales tienen un tamaño de solo unos cinco milímetros cuadrados.

Aún así, los resultados actuales son un buen augurio para el futuro de esta tecnología solar alternativa.

"En nuestro artículo, comparamos nuestros prototipos con células solares de perovskita tradicionales e invertidas que se han publicado recientemente en la literatura científica", dice Teale.

"La combinación de alta estabilidad y alta eficiencia que logramos realmente se destaca. También debemos tener en cuenta que la tecnología de perovskita tiene solo un par de décadas, mientras que el silicio se ha trabajado durante 70 años. Todavía hay muchas mejoras por hacer". venir." + Explora más

Los puntos cuánticos aumentan la eficiencia y la escalabilidad de las células solares de perovskita