El "truco" de la deformación mejora la eficiencia de las células solares de perovskita
La energía solar es una de las soluciones más prometedoras para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Pero mejorar la eficiencia de los paneles solares es un reto constante. Las células solares de perovskita (PSC) han cambiado las reglas del juego, ya que ofrecen rápidas mejoras de eficiencia y posibilidades de fabricación a bajo coste. Sin embargo, siguen sufriendo pérdidas de energía y problemas de estabilidad operativa.
El reto de las perovskitas de banda ancha
Las células solares de perovskita, sobre todo las utilizadas en configuraciones en tándem, se basan en materiales de banda ancha (WBG) -semiconductores que absorben la luz de mayor energía ("más azul") y dejan pasar la de menor energía (más roja)- para maximizar la eficiencia. Sin embargo, las fórmulas de perovskita de banda ancha suelen sufrir segregación de fases, es decir, los distintos componentes se separan con el tiempo, lo que reduce el rendimiento.
Una solución es añadir rubidio (Rb) para estabilizar los materiales WBG, pero hay un problema: El Rb tiende a formar fases secundarias no deseadas, lo que reduce su eficacia para estabilizar la estructura de la perovskita.
La solución de la EPFL: la tensión al rescate
Los científicos Lukas Pfeifer y Likai Zheng, del grupo de Michael Grätzel en la EPFL, han encontrado una forma de obligar al Rb a permanecer donde se necesita. Utilizando la "tensión de red" de la película de perovskita, consiguieron incorporar iones de Rb a la estructura, lo que impidió la segregación de fase no deseada. Este novedoso método no sólo estabiliza el material WBG, sino que también mejora su eficiencia energética al minimizar la recombinación no radiativa, principal responsable de la pérdida de energía.
Los investigadores utilizaron la deformación de la red -una distorsión controlada de la estructura atómica- para mantener el Rb encerrado en la red de la perovskita. Para ello, afinaron la composición química y ajustaron con precisión el proceso de calentamiento y enfriamiento. Un calentamiento rápido seguido de un enfriamiento controlado indujo la deformación, impidiendo que el Rb formara fases secundarias no deseadas y garantizando que permaneciera integrado en la estructura.
Verificación y perfeccionamiento del método
Para confirmar y comprender este efecto, el equipo utilizó la difracción de rayos X para analizar los cambios estructurales, la resonancia magnética nuclear en estado sólido para rastrear la ubicación atómica del Rb y el modelado computacional para simular cómo interactúan los átomos en diferentes condiciones. Estas técnicas proporcionaron una imagen detallada de cómo la deformación estabilizaba la incorporación de Rb.
Además de la deformación de la red, también descubrieron que la introducción de iones de cloruro es clave para estabilizar la red compensando las diferencias de tamaño entre los elementos incorporados. Esto garantizó una distribución más uniforme de los iones, reduciendo los defectos y mejorando la estabilidad general del material.
¿El resultado? Un material más uniforme, con menos defectos y una estructura electrónica más estable. La nueva composición de perovskita, mejorada con Rb estabilizado por deformación, alcanzó una tensión en circuito abierto de 1,30 V, un impresionante 93,5% de su límite teórico. Esto representa una de las pérdidas de energía más bajas jamás registradas en perovskitas WBG. Además, el material modificado mostró un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) mejorado, lo que indica que la luz solar se convertía en electricidad de forma más eficiente.
Impacto en las energías renovables
La reducción de la pérdida de energía en las células solares de perovskita podría dar lugar a paneles solares más eficientes y rentables. Esto es especialmente importante para las células solares en tándem, en las que las perovskitas se combinan con el silicio para maximizar la eficiencia.
Los hallazgos también tienen implicaciones que van más allá de los paneles solares: las perovskitas se están estudiando para LED, sensores y otras aplicaciones optoelectrónicas. Al estabilizar las perovskitas WBG, la investigación de la EPFL podría ayudar a acelerar la comercialización de estas tecnologías.
Otros colaboradores
- Laboratorio de Resonancia Magnética de la EPFL
- Plataforma de difracción de rayos X y análisis de superficies de la EPFL
- Instalación de Crecimiento de Cristales de la EPFL
- Laboratorio de Química Computacional y Bioquímica de la EPFL
- Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing
- Universidad Nacional de Singapur
- Politécnico de Milán
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.
Publicación original
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025
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