Célula solar de perovskita con estabilidad ultralarga
Éxito gracias al alto rendimiento
Las perovskitas son la gran esperanza para seguir aumentando la eficiencia de los módulos solares en el futuro. Hasta ahora, su corta vida útil se consideraba el mayor obstáculo para su uso práctico, pero esto podría cambiar pronto. En el número actual de la revista Nature Energy, investigadores del Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg del Forschungszentrum Jülich han presentado una variante que destaca por su especial estabilidad. En las pruebas realizadas a temperatura e iluminación elevadas durante 1450 horas de funcionamiento, la célula basada en perovskita conservó el 99% de su eficiencia inicial.
El Dr. Yicheng Zhao delante del equipo de investigación de alto rendimiento sosteniendo muestras de células y películas solares de perovskita en el Instituto Helmholtz de Erlangen-Nuremberg, que forma parte del Forschungszentrum Jülich
Copyright: HI ERN / Kurt Fuchs
Un rasgo característico de las perovskitas es su estructura cristalina específica. Son posibles numerosas combinaciones de materiales de diferentes átomos y moléculas, algunas de las cuales presentan propiedades ferroeléctricas, superconductoras o fotovoltaicas. Aunque se conoce desde principios del siglo XIX, esta clase de materiales sólo se ha descubierto recientemente para la fotovoltaica. Sólo se han necesitado 10 años de investigación para elevar la eficiencia al nivel de las células solares de silicio convencionales a un ritmo sin precedentes.
En comparación con los cristales de silicio, las perovskitas tienen varias ventajas decisivas: pueden producirse fácilmente, de forma rentable y con ahorro de energía. Las capas de las células de perovskita, que sólo tienen unos cientos de nanómetros de grosor, también pueden aplicarse bien a las células de silicio convencionales. Aunque la tecnología basada en el silicio ya se considera madura, estas "células solares en tándem" ofrecen nuevas oportunidades para seguir mejorando la eficiencia de las células solares.
Una cuestión de estabilidad
"El talón de Aquiles de las células solares de perovskita es su escasa durabilidad", explica el profesor Christoph Brabec, del Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg (HI ERN) del Forschungszentrum Jülich. "Los módulos de silicio clásicos son bastante duraderos. Incluso después de más de 20 años de uso práctico, apenas pierden rendimiento". Las células solares de perovskita, en cambio, suelen perder eficacia al cabo de unos días o semanas. Las primeras células podían verse literalmente envejecer, con una eficiencia que caía a los pocos segundos o minutos de encender las luces en el laboratorio.
"La célula solar que hemos presentado ahora en Nature Energy, en cambio, impresiona por su excepcional estabilidad. Los valores están sin duda entre los mejores jamás medidos para una célula solar planar de perovskita en una prueba a largo plazo", dijo Brabec. La célula iluminada tuvo que sobrevivir 1.450 horas a temperaturas elevadas de unos 65 grados centígrados en el laboratorio y se mantuvo prácticamente estable durante todo el periodo de prueba. Al final, seguía teniendo el 99% de su eficiencia inicial. "La predicción a largo plazo siempre es difícil. Pero la célula solar de perovskita que hemos desarrollado ahora podría funcionar sin duda durante más de 20.000 horas en circunstancias normales", estima el profesor Brabec.
Éxito gracias al alto rendimiento
El resultado no es casual. En su búsqueda del material adecuado, los investigadores probaron sistemáticamente cientos de mezclas de perovskita diferentes para comprobar su idoneidad utilizando métodos de alto rendimiento. A continuación, los investigadores utilizaron las mejores para construir su célula. "Incluso si sólo te basas en componentes probados, te encuentras con un número tremendo de posibles composiciones que podemos producir y probar automáticamente con nuestros métodos. En otros estudios, a veces hay incluso muchas más", explica el Dr. Yicheng Zhao, que desempeñó un papel clave en las investigaciones científicas. "Por eso tenemos que utilizar un enfoque sistemático para identificar las mejores combinaciones de materiales".
Otro importante paso de optimización se refiere a los contactos estables de la perovskita dentro de la célula, que se construye en varias capas finas. Los dopantes iónicos o las nanopartículas de óxido metálico que se utilizan habitualmente para contactar con la célula tienden a sufrir reacciones secundarias a temperaturas más altas. Estas reacciones pueden llegar a provocar la corrosión de los electrodos metálicos, como pudieron demostrar los investigadores de HI ERN mediante mediciones y microscopía electrónica de barrido. Así, el contacto y la conductividad eléctrica se deterioran en una fase temprana.
"Para mejorar la estabilidad en el punto de contacto, envolvimos todo el electrodo en una especie de caparazón protector", explica Zhao. Una nueva estructura polimérica de doble capa, con la cara inferior sin dopar y la superior dopada con un dopante no iónico, protege contra la degradación y garantiza el mantenimiento del contacto. Por un lado, esta arquitectura protege la interfaz tan sensible de la perovskita y, por otro, muestra una conductividad excepcionalmente estable, incluso a temperaturas elevadas.
De cara al futuro, los investigadores del HI ERN se proponen ahora mejorar aún más la eficiencia. "Con una eficiencia del 20,9 por ciento, la célula probada aún no aprovecha todo su potencial. En un futuro próximo debería ser posible alcanzar entre el 24 y el 25 por ciento", explica Yicheng Zhao.
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