Ligeras, flexibles y eficientes: células solares en tándem basadas en perovskita
Del laboratorio al tejado
Las células solares en tándem totalmente de perovskita podrían llegar pronto allí donde las células solares de silicio alcanzan sus límites. Estas células altamente eficientes, ligeras y flexibles ya han demostrado su eficacia en el laboratorio; ahora, los investigadores de Empa trabajan para ampliarlas y prepararlas para el mundo real.
Las tejas son cosa del pasado: Hoy en día, cada vez más tejados suizos lucen grandes rectángulos negros y azules que convierten la luz solar en electricidad. El color azulado procede de los cristales de silicio, ya que la mayoría de las células solares disponibles hoy en día se basan en este material semiconductor. Pero el silicio no es la única forma de fabricar una célula solar, y posiblemente ni siquiera sea la mejor.
Las células fotovoltaicas basadas en silicio se han perfeccionado tanto que están alcanzando los límites de su eficiencia. Aunque todavía se pueden mejorar algunos puntos porcentuales, el límite teórico de la eficiencia de una célula de silicio es del 33%. En la práctica, es algo inferior, ya que inevitablemente se producen pequeñas pérdidas de energía durante la construcción y el funcionamiento de las células.
La razón de este duro límite de eficiencia radica en las propiedades del material del silicio. La llamada brecha de banda del material significa que sólo los fotones con una determinada energía pueden convertirse en electricidad. Si la energía del fotón es demasiado alta, la célula solar no puede "aprovecharla" por completo.
Dos capas mejor que una
Las células solares fabricadas con otros materiales ofrecen una forma de superar esta limitación, afirma Fan Fu, investigador del Empa. El jefe de grupo del Laboratorio de Películas Finas y Fotovoltaica está investigando células solares altamente eficientes hechas de perovskita. Una célula de perovskita por sí sola no consigue una mayor eficiencia, porque la perovskita, como semiconductor, también tiene un hueco de banda limitado. La verdadera fuerza de este innovador material radica en que, a diferencia del silicio, esta brecha de banda puede ajustarse fácilmente variando la composición exacta del material de perovskita.
Si dos perovskitas con distintos huecos de banda se transforman en células solares de película fina y se "apilan" una sobre otra, el resultado es la llamada célula solar en tándem. Una capa de perovskita "atrapa" los fotones de alta energía y la otra los de baja energía. En teoría, esto permite alcanzar eficiencias de hasta el 45%, muy superiores al 33% de las células de unión simple. Otra posibilidad es añadir una capa de perovskita a una célula de silicio para crear una célula en tándem muy eficiente.
Sin embargo, Fu y su equipo se centran actualmente en las células en tándem totalmente de perovskita, en particular como parte del proyecto de investigación de la UE SuPerTandem, en el que participan un total de 15 instituciones de investigación y empresas europeas punteras. El objetivo del proyecto es desarrollar módulos flexibles de perovskita en tándem con una eficiencia superior al 30%, que además puedan producirse mediante procesos escalables y rentables. Éste es otro de los puntos fuertes de las células solares de perovskita: "Las células solares de silicio suelen requerir monocristales de silicio de gran pureza que se producen a altas temperaturas", explica Fu. "En cambio, las películas finas de perovskita pueden imprimirse, procesarse en solución o producirse por deposición de vapor con una huella deCO2 muy baja. Los pequeños defectos que se producen en el proceso sólo tienen un impacto menor en sus propiedades optoelectrónicas."
Los beneficios potenciales de proyectos como SuPerTandem son significativos, porque cuanto mayor sea la eficiencia, menos cara será la energía solar al final del día. "La célula en sí sólo representa menos del 20% del coste de un sistema fotovoltaico", explica Fu. "El 80% restante corresponde a los cables, los inversores, la caja de conexiones y, por supuesto, la mano de obra de la instalación". Si se aumenta la eficiencia de las células individuales, basta con un sistema fotovoltaico más pequeño -y por tanto más asequible- para obtener la misma producción de electricidad. Las células de capa fina de perovskita también pueden fabricarse en láminas flexibles y ligeras, en lugar de en placas de vidrio rígidas y pesadas como las células de silicio. Esto significa que también pueden utilizarse en más lugares, por ejemplo en los tejados de los coches o en edificios con poca capacidad de carga.
Del laboratorio al tejado
Ahora hay que explotar este potencial de las células solares de perovskita. Además de SuPerTandem, el equipo de Fan Fu trabaja en dos proyectos suizos. En un proyecto financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), los investigadores de Empa trabajan para comprender mejor las propiedades fundamentales y los retos de las células solares de perovskita que contribuyen a su eficiencia y estabilidad. Y en un proyecto con la Oficina Federal Suiza de la Energía (OFSE), están poniendo en práctica sus conocimientos actuales ampliando las células en tándem ya desarrolladas en Empa.
¿Qué más hay que hacer para que los rectángulos negros y azules de nuestros tejados se unan con películas de perovskita rojizas? "En primer lugar, tenemos que escalar las células de perovskita desde los prototipos actuales de unos pocos centímetros hasta tamaños industriales", dice Fu. Las células, que aún son algo frágiles, también tienen que protegerse eficazmente de la intemperie. Fan Fu es optimista y cree que ambas cosas se conseguirán en los próximos cinco a diez años. "Estamos avanzando mucho y hay mucho interés por parte de la industria", afirma el científico. "Los investigadores sólo llevan trabajando en células solares basadas en perovskita algo menos de 15 años. En comparación, las células de silicio llevan casi 70 años investigándose".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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