Celdas solares de perovskita serán tan baratas como imprimir un periódico



La búsqueda continúa para encontrar una tecnología barata y segura de células solares. El silicio cristalino es la base del 90% de los dispositivos fotovoltaicos comerciales, que usan semiconductores para convertir la luz en electricidad. Pero la celda fotovoltaica de silicio aún es costosa de procesar, su fabricación produce subproductos tóxicos y su instalación es engorrosa.

La Perovskita podría cambiar el juego. Este material tienen estructuras cristalinas que se basan en arreglos tetraédricos tipo pirámide de átomos o moléculas. Explorados durante mucho tiempo como posibles semiconductores, superconductores y por sus propiedades ópticas y magnéticas, las perovskitas también son eficientes para absorber la luz y transportar cargas, propiedades ideales para capturar la energía solar.

Las células fotovoltaicas de Perovskite son baratas y fáciles de montar. Normalmente combinan componentes inorgánicos y orgánicos comunes, a menudo metilamonio o formamidinio, ambos compuestos de carbono, hidrógeno y nitrógeno. En solución, se pueden imprimir en vidrio o película en varios centímetros cuadrados. También son menos sensibles a las impurezas que los costosos semiconductores cristalinos como el arseniuro de galio.

En la última década, la investigación sobre las células solares de perovskita ha crecido. Al menos en el laboratorio, la eficiencia de los dispositivos perovskite ahora es más que una coincidencia con los basados ​​en silicio (ver 'Incremento del rendimiento' ). En 2006, la primera perovskita fotovoltaica convirtió el 2,2% de los fotones en electrones 1 ; para 2016, esa cifra fue del 22.1%. Los paneles de techo de silicio tienen una eficiencia del 16-20%; las células de perovskita podrían, en teoría, alcanzar el 31%. Y se pueden lograr incluso mayores eficiencias combinando dispositivos de silicio y perovskita.


Pero existen grandes desafíos para el uso de perovskitas a escala comercial. El principal es la estabilidad: las celdas actualmente solo duran meses al aire libre, mientras que los paneles solares de silicio generalmente tienen una garantía de trabajo de al menos 25 años. Los cambios climáticos y los niveles extremos de luz, temperatura y humedad hacen que las células de perovskita se descompongan. La humedad es el peor problema. Las reacciones con el agua forman hidratos que alteran las estructuras de los cristales para que no puedan absorber la luz visible. En la última década, la vida útil de las células se ha extendido de unos minutos a 6 meses. Pero se necesita mucho más trabajo.

Aquí destacamos cinco formas de mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita. Creemos que dentro de dos años, podrían superar eficiencias del 25%, permaneciendo estable durante más de un año.

Cinco prioridades
Estructura cristalina. Incluso las pequeñas diferencias en la disposición de los átomos afectan la estabilidad 2 , 3 . Las perovskitas tienen la fórmula ABX 3 , en la que A es un componente orgánico o inorgánico, B es un átomo de metal y X es un haluro. Los investigadores han intentado modificar el sitio A para formar una fase más estable, y estos cambios parecen tener menos efecto sobre las propiedades optoelectrónicas que los cambios en B o X. Esto ha resultado, por ejemplo, en una forma de perovskita que permanece estable hasta 170 ° C. 'Dopando' el cristal - o introduciendo pequeñas imperfecciones - con iones de cesio o grupos orgánicos también ha aumentado la estabilidad, de menos de 100 horas a más de 1,000 horas 2 , 3. Las interacciones débiles del catión A con B y X también limitan la estabilidad estructural de la perovskita.

Al variar el sitio X, un grupo ha descubierto que el uso de iones pequeños de bromuro en lugar de yoduros grandes mejora la estabilidad 4 . Menos estudios han analizado la alteración del sitio B, pero las pruebas que reemplazaron el plomo con elementos como el estaño y el germanio afectaron la eficiencia y la estabilidad.

La alteración de la estructura cristalina no es una bala de plata. La solución de un problema afecta a todo lo demás. Agregar moléculas grandes rompe el cristal e interrumpe el flujo de carga. La eficiencia puede caer en más de la mitad 5 . Pero puede ser ventajoso: dividir la perovskita en láminas 'cuasi-2D' reduce la absorción de agua, por ejemplo 5 .

En resumen, creemos que introducir un pequeño número de grupos grandes en el sitio A es la mejor manera de mejorar la estabilidad sin sacrificar demasiada eficiencia.

Calidad de la película La humedad y los defectos iónicos viajan a través de las brechas entre los granos de cristal de perovskita para erosionar la estabilidad 6 . Entonces, hacer películas de perovskita con cristales más grandes y menos límites de grano es una prioridad. Y los investigadores necesitan investigar si las estructuras porosas podrían ser más estables que las planas.

Diseños alternativos. Algunas formas exóticas de perovskitas tienen propiedades electrónicas y ópticas atractivas en teoría. Y los ejemplos son aquellos con una 'celda unitaria' - la disposición molecular que se repite a través de una red cristalina - que es el doble de grande (como Cs 2 BiAgCl 6 y Cs 2 BiAgBr 6 ) 7 . Pero tales formas dobles aún no se han incorporado a las células solares. Se necesitan experimentos que se centren en mejorar la vida útil de los operadores de carga, reducir los defectos y resolver problemas de procesamiento.

"Solo a través de medidas estrictas y sistemáticas podemos observar cómo las modificaciones hacen que estas células solares sean más estables".

Conduciendo capas e interfaces. En una célula solar, la perovskita está intercalada entre dos capas que conducen cargas (electrones y agujeros). Estos están conectados por electrodos, al menos uno de los cuales es transparente para que la luz pueda brillar. Las propiedades de todos estos materiales pueden influir en la estabilidad de la célula. Por ejemplo, una capa de la molécula pequeña Spiro-OMeTAD se usa a menudo para transportar agujeros. La sal de litio generalmente se agrega para mejorar su conductividad. Pero la sal absorbe agua, lo que degrada la perovskita. El dióxido de titanio (TiO 2 ), que se utiliza ampliamente como un material de transporte de electrones, se descompone por la luz ultravioleta. Los transportadores de carga alternativos incluyen fullerenos y el polímero PEDOT: PSS, pero estos también absorben agua o reaccionan con oxígeno.

Se necesitan otros materiales de transporte de carga 8 . Deberían poder formar películas de alta calidad, repeler el agua y ser químicamente y térmicamente estables. Los candidatos incluyen carbono, nanotubos de carbono y óxidos de metales inorgánicos como NiO x , SnO 2 , ZnSnO 4 y BaSnO 3 . Los materiales aislantes estables como el poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y el Al 2 O 3 podrían combinarse con una capa conductora para mejorar la longevidad.

Detener el movimiento de los defectos cristalinos a través de la capa conductora o a través de la interfaz con la película de perovskita también puede mejorar la estabilidad 9 . Las imperfecciones atrapan cargas y permiten que los iones migren.

Encapsulación Los efectos de la humedad y el oxígeno se pueden cortar encerrando los dispositivos en un entorno inerte. Las técnicas de encapsulación industrial para electrónica orgánica deberían ser aplicables a la perovskita, con algunas modificaciones. Es posible que sea necesario ajustar el procesamiento para minimizar la exposición de las células a condiciones extremas de temperatura, atmósfera y luz ultravioleta.

Una opción incluye revestimientos que incorporan fotopolímeros luminiscentes, que convierten la luz ultravioleta en luz visible. Estos protegen a las células del agua, el oxígeno y la luz ultravioleta, y mejoran el rendimiento celular 10 . Materiales inorgánicos estables, tales como SiO 2 , Si 3 N 4 o Al 2 O 3 también se podrían combinar con la matriz de epoxi orgánico.

Próximos pasos
Encontrar nuevos materiales estables requiere investigación interdisciplinaria y más fondos. Los físicos teóricos y los científicos de materiales necesitan calcular y predecir las propiedades de los materiales; químicos y científicos de materiales para sintetizar y estudiar sus propiedades; e ingenieros para desarrollar dispositivos.

Y se necesitan estándares para probar la estabilidad: todos los involucrados deben informar los datos de estabilidad exhaustivamente. Solo a través de medidas estrictas y sistemáticas podemos observar cómo las modificaciones hacen que estas células solares sean más estables. Las publicaciones deben incluir detalles del entorno de prueba (humedad, temperatura y flujo de gas, por ejemplo), así como información sobre la encapsulación y la exposición a la luz, entre otras medidas.

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