Células solares de perovskita: las tensiones térmicas son la clave de la estabilidad a largo plazo
Las células solares de perovskita son muy eficientes y de bajo coste de producción. Sin embargo, aún carecen de estabilidad a lo largo de las décadas en condiciones meteorológicas reales. Una colaboración internacional de investigación dirigida por el profesor Antonio Abate ha publicado ahora una perspectiva sobre este tema en la revista Nature Reviews Materials. Han estudiado los efectos de múltiples ciclos térmicos en las microestructuras y las interacciones entre las distintas capas de las células solares de perovskita. Llegan a la conclusión de que el estrés térmico es el factor decisivo en la degradación de las perovskitas de haluro metálico. Basándose en esto, deducen las estrategias más prometedoras para aumentar la estabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita.
En el experimento, las células solares de perovskita se enfriaron repetidamente hasta 150 grados Celsius bajo cero y luego se calentaron hasta 150 grados Celsius bajo cero. A lo largo de los ciclos se estudiaron los cambios en la microestructura de la capa de perovskita y las interacciones con las capas vecinas.
Li Guixiang
Las perovskitas son una amplia clase de materiales con propiedades semiconductoras adecuadas para la conversión de energía en una célula solar: las mejores de ellas, las perovskitas de haluro metálico, ya ofrecen eficiencias de hasta el 27%. La producción de estas células solares de película fina requiere muy poco material y energía, por lo que la energía solar podría abaratarse considerablemente. Sin embargo, cuando se utilizan al aire libre, los módulos solares deberían proporcionar un rendimiento casi estable durante al menos 20 o 30 años. Y aquí todavía hay mucho margen de mejora en los materiales de perovskita.
Resultados de varios años
Una colaboración internacional de investigación dirigida por el profesor Antonio Abate ha publicado ahora los resultados de varios años de trabajo en un artículo de revisión en la prestigiosa revista Nature Reviews Materials. Junto con un equipo dirigido por el profesor Meng Li, de la Universidad de Henan (China), y otros socios de Italia, España, Reino Unido, Suiza y Alemania, demuestran que el estrés térmico es el factor decisivo en la degradación de las perovskitas de haluro metálico.
Condiciones duras en la "vida real
Cuando se utilizan en el exterior, los módulos solares están expuestos a las inclemencias del tiempo y las estaciones", afirma Abate. Aunque el encapsulado puede proteger eficazmente las células de la humedad y el oxígeno atmosférico, siguen estando expuestas a variaciones de temperatura bastante grandes de día y de noche y a lo largo del año. Dependiendo de las condiciones geográficas, las temperaturas en el interior de las células solares pueden oscilar entre los 40 grados Celsius bajo cero y los 100 grados Celsius sobre cero (en el desierto, por ejemplo).
Estudio de los efectos de las diferencias extremas de temperatura
Para simularlo, las células solares de perovskita del estudio se expusieron a diferencias de temperatura mucho más extremas en varios ciclos: De menos 150 grados centígrados a más 150 grados centígrados, y una y otra vez. El Dr. Guixiang Li (entonces postdoctorando en HZB y ahora profesor en la Universidad del Sureste de China) investigó cómo cambiaba la microestructura de la capa de perovskita durante los ciclos y hasta qué punto las interacciones con las capas vecinas se veían también afectadas por los ciclos de temperatura.
Tensión térmica dentro de la película de perovskita y entre las capas
En conjunto, estos factores afectan al rendimiento de la célula. En concreto, los ciclos de temperatura provocaron tensiones térmicas, es decir, tensiones tanto dentro de la película delgada de perovskita como entre las distintas capas adyacentes: "En una célula solar de perovskita, las capas de materiales muy diferentes tienen que estar en perfecto contacto; por desgracia, estos materiales suelen tener comportamientos térmicos muy diferentes", explica Abate. Por ejemplo, los plásticos tienden a encogerse cuando se calientan, mientras que los materiales inorgánicos tienden a expandirse. Esto significa que en cada ciclo el contacto entre las capas empeora. Es más, también se han observado transiciones de fase locales y difusión de elementos en capas adyacentes.
La estrategia más prometedora
De todo ello, los equipos de investigación han deducido una estrategia para aumentar la estabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita. El estrés térmico es la clave", afirma Abate. Lo principal, por tanto, es conseguir que las estructuras de perovskita y las capas adyacentes sean más estables frente al estrés térmico, por ejemplo aumentando la calidad cristalina, pero también utilizando capas amortiguadoras adecuadas". Los científicos subrayan la importancia de contar con protocolos de ensayo uniformes para evaluar la estabilidad bajo ciclos de temperatura y proponen un enfoque que facilite la comparación entre distintos estudios.
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Publicación original
Luyan Wu, Shuaifeng Hu, Feng Yang, Guixiang Li, Junke Wang, Weiwei Zuo, José J. Jerónimo-Rendon, Silver-Hamill Turren-Cruz, Michele Saba, Michael Saliba, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Jorge Pascual, Meng Li, Antonio Abate; "Resilience pathways for halide perovskite photovoltaics under temperature cycling"; Nature Reviews Materials, 2025-2-19
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