Mejor rendimiento para las células solares mixtas de perovskita y plomo

Las células solares que emplean perovskita son atractivas porque sus materiales son baratos de producir y sencillos de fabricar. De allí que los investigadores hayan empleado una nueva solución química, logrando que estas células solares mixtas de estaño-plomo sean más eficientes. Lo demostraron utilizando sus películas para producir dos tipos de células solares en tándem (material dual), una de ellas con una eficiencia de hasta el 25 %.

Muchos esfuerzos de investigación relacionados con este material se han centrado en las perovskitas basadas en plomo, a menudo añadiendo estaño para absorber una mayor fracción del espectro solar. Sin embargo, en la actualidad las perovskitas mixtas de plomo-estaño (Sn-Pb) han alcanzado eficiencias de conversión de energía de aproximadamente el 18 %, inferiores a las de sus perovskitas homólogas basadas en Pb puro.

Pese a que recientemente se han explorado varias estrategias para mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita basadas en Sn-Pb (PSC), el rendimiento del PSC en tándem todavía no ha logrado igualar el de sus homólogas de Pb. En un nuevo esfuerzo por mejorar la capacidad de las perovskitas basadas en Sn-Pb para captar la luz, el investigador Jinhui Tong y sus colegas utilizaron tiocianato de guanidinio (GuaSCN) para mejorar las propiedades estructurales y optoelectrónicas de las películas de perovskita mixtas de estaño-plomo.

Con esto lograron aumentar la vida útil de los portadores (o capacidades de captura de energía) a más de 1 microsegundo, entre otras mejoras. Tong y sus colegas aplicaron las películas para fabricar células solares en tándem totalmente de perovskita que mostraron eficiencias de hasta el 25 % en un caso. En la prueba final de las células que construyeron, se conservó más del 88 % de la eficiencia inicial tras 100 horas de operación continua.

Perovskita, células solares de bajo coste

Ahora bien, conozcamos un poco más sobre este material revolucionario en el ámbito de la electricidad. Sus propiedades fotovoltaicas permiten acariciar el viejo sueño de fabricar paneles solares de mayor rendimiento y conseguir electricidad barata a partir del sol

La perovskita ha demostrado, de hecho, su capacidad para capturar y aprovechar la energía contenida en la luz proveniente del Sol. Este nuevo material, que se ha convertido en el centro de atención de los laboratorios y empresas innovadoras del mundo, promete colmar la vieja aspiración de disponer de células fotovoltaicas de bajo coste y con rendimientos cercanos a los del omnipresente silicio.

Siendo precisos, no se debería catalogar como nuevo un material que en realidad se conoce desde 1839. Pero lo cierto es que no fue hasta el año 2012 cuando la perovskita saltó a los titulares de las principales revistas científicas. Esto se debe a que la perovskita no es un único material, sino una estructura cristalina en la que caben innumerables combinaciones posibles. Y fue en 2012 cuando un grupo de investigación de la Universidad de Oxford publicó en Science una combinación concreta con propiedades fotovoltaicas notables. En el corto tiempo transcurrido desde entonces esas propiedades se han mejorado de manera exponencial.

Evolución rápida y notoria

En menos de 5 años el rendimiento de las células solares de perovskita ha aumentado del 5% inicial al actual 21%. Ninguna otra tecnología ha logrado mejorar así su tasa de conversión de luz solar en electricidad en tan poco tiempo. Ni siquiera el silicio, paladín de la industria fotovoltaica.

Pero hay más. Porque el proceso de fabricación de células solares de perovskita promete abaratar enormemente el coste de los paneles. Las perovskitas usadas en aplicaciones fotovoltaicas son híbridos orgánico-inorgánicos, con la parte inorgánica compuesta por halógenos (I, Br) y plomo (Pb). Estos materiales se forman a muy bajas temperaturas (en algunos casos incluso a temperatura ambiente), los procesos por los que pueden ser depositadas son muy variados y los materiales precursores de muy bajo coste y alta disponibilidad. Estas características, junto con los valores de eficiencia obtenidos, hacen muy competitivos estos materiales comparados con el silicio, en los que el proceso de manufacturación es largo y de elevado coste.

Celdas solares híbridas

A pesar de las posibilidades de la perovskita, la mayoría de investigadores y la industria parecen tener claro que esta no sustituirá al silicio, al menos a medio plazo. “En el mejor de los casos puede hacer al silicio más eficiente”, comenta Henk Bolink.

¿Cómo? Mediante las denominadas celdas solares híbridas o tándems, formadas por dos materiales distintos. Estos materiales absorben en diferentes longitudes de onda del espectro solar, de manera que la unión de los dos con los contactos eléctricos adecuados aumenta la cantidad de luz absorbida y, por tanto, la eficiencia del producto final. La zona del espectro donde los materiales absorben depende del band gap, y en el caso de las perovskitas híbridas, el band gap puede ser alterado para conseguir que encaje con el del silicio y aumentar de esta manera su eficiencia.

“Oxford Photovoltaics está totalmente enfocado en comercializar la primera celda tándem de perovskita con silicio y cabe destacar que recientemente fabricamos una celda solar tándem con una eficiencia en torno al 22%, lo que supone un aumento neto respecto a la celda de silicio usada del 5%. La razón por la que este tipo de celdas son las que, a día de hoy, presentan las mejores perspectivas comerciales se debe a que con la simple adición de otra capa en los actuales paneles de silicio, se consigue un aumento de eficiencia sin coste adicional”, explica Laura Miranda, directora de investigación en materiales de Oxford Photovoltaics.

Si bien es cierto que no podemos tener la certeza de que la perovskita vaya a sustituir al silicio, no es menos cierto los investigadores apuestan por él y seguirán buscando materiales que contribuyan o generen más estabilidad y vida útil al perovskita, ya que a nivel de eficiencia y precio se tienen expectativas realmente altas. En una próxima entrega estaremos hablando de otro material revolucionario en la industria fotovoltaica, el cual está siendo objeto de estudio entre investigadores y científicos.