Célula Solar de Perovskita

¿Qué es una perovskita?

La perovskita es un material que tiene la misma estructura cristalina que el mineral óxido de calcio y titanio, el primer cristal de perovskita descubierto. Generalmente, los compuestos de perovskita tienen una fórmula química ABX3, donde ‘A ‘ y’ B ‘ representan cationes y X es un anión que se une a ambos. Un gran número de elementos diferentes se pueden combinar para formar estructuras de perovskita. Usando esta flexibilidad compositiva, los científicos pueden diseñar cristales de perovskita para tener una amplia variedad de características físicas, ópticas y eléctricas. Los cristales de perovskita se encuentran hoy en día en máquinas de ultrasonido, chips de memoria y ahora en células solares.

Aplicaciones de energía limpia de perovskitas

Todas las células solares fotovoltaicas dependen de semiconductores, materiales en el punto medio entre aisladores eléctricos como el vidrio y conductores metálicos como el cobre, para convertir la energía de la luz en electricidad. La luz del sol excita electrones en el material semiconductor, que fluyen hacia los electrodos conductores y producen corriente eléctrica.

El silicio ha sido el material semiconductor primario utilizado en las células solares desde la década de 1950, ya que sus propiedades semiconductoras se alinean bien con el espectro de los rayos solares y es relativamente abundante y estable. Sin embargo, los grandes cristales de silicio utilizados en los paneles solares convencionales requieren un costoso proceso de fabricación de varios pasos que utiliza mucha energía. En la búsqueda de una alternativa, los científicos han aprovechado la capacidad de ajuste de las perovskitas para crear semiconductores con propiedades similares al silicio. Las células solares de perovskita se pueden fabricar utilizando técnicas simples de deposición aditiva, como la impresión, por una fracción del costo y la energía. Debido a la flexibilidad compositiva de las perovskitas, también se pueden ajustar para que coincidan idealmente con el espectro solar.

En 2012, los investigadores descubrieron por primera vez cómo hacer una célula solar de perovskita de película fina estable con una eficiencia de conversión de fotón a electrón de más del 10%, utilizando perovskitas de haluro de plomo como capa absorbente de luz. Desde entonces, la eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica de las células solares de perovskita se ha disparado, con un récord de laboratorio del 25,2%. Los investigadores también están combinando células solares de perovskita con células solares de silicio convencionales – las eficiencias récord para estas células tándem de» perovskita sobre silicio » son actualmente del 29,1% (superando el récord del 27% para las células de silicio convencionales) y aumentan rápidamente. Con este rápido aumento en la eficiencia de las células, las células solares de perovskita y las células solares tándem de perovskita pueden convertirse pronto en alternativas baratas y altamente eficientes a las células solares de silicio convencionales.

¿Cuáles son algunos de los objetivos de investigación actuales?

Mientras que las células solares de perovskita, incluida la perovskita en tándems de silicio, están siendo comercializadas por docenas de empresas en todo el mundo, todavía hay desafíos básicos de ciencia e ingeniería que abordar que pueden mejorar su rendimiento, confiabilidad y capacidad de fabricación.

Algunos investigadores de perovskita continúan impulsando eficiencias de conversión caracterizando defectos en la perovskita. Si bien los semiconductores de perovskita son notablemente tolerantes a defectos, los defectos aún afectan negativamente el rendimiento, especialmente los que ocurren en la superficie de la capa activa. Otros investigadores están explorando nuevas formulaciones químicas de perovskita, tanto para ajustar sus propiedades electrónicas para aplicaciones específicas (como pilas de células en tándem), como para mejorar aún más su estabilidad y vida útil.

Los investigadores también están trabajando en nuevos diseños de células, nuevas estrategias de encapsulación para proteger las perovskitas del medio ambiente y comprender las vías básicas de degradación para poder usar estudios de envejecimiento acelerado para predecir cómo durarán las células solares de perovskita en los tejados. Otros están explorando rápidamente una variedad de procesos de fabricación, incluida la forma de adaptar las «tintas» de perovskita a los métodos de impresión de soluciones a gran escala establecidos. Por último, si bien las perovskitas de mejor rendimiento se fabrican hoy en día con una pequeña cantidad de plomo, los investigadores también están explorando composiciones alternativas y nuevas estrategias de encapsulación, con el fin de mitigar las preocupaciones asociadas con la toxicidad del plomo.

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¿Cómo se CEI avance de perovskitas?

Los cristales de perovskita a menudo exhiben defectos a escala atómica que pueden reducir la eficiencia de conversión solar. El científico jefe del CEI y profesor de química David Ginger ha desarrollado técnicas de» pasivación», tratando las perovskitas con diferentes compuestos químicos para curar estos defectos. Pero cuando los cristales de perovskita se ensamblan en células solares, los electrodos de captación de corriente pueden crear defectos adicionales. En 2019, Ginger y colaboradores de Georgia Tech recibieron fondos de los Estados Unidos. La Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía desarrollará nuevas estrategias de pasivación y nuevos materiales de recolección de carga, lo que permitirá que las células solares de perovskita alcancen su máximo potencial de eficiencia, sin dejar de ser compatibles con la fabricación de bajo costo.

El profesor de química Daniel Gamelin y su grupo tienen como objetivo modificar las células solares de silicio con recubrimientos de perovskita para recolectar fotones de luz azul de alta energía de manera más eficiente, evitando el límite teórico de conversión del 33% para las células de silicio convencionales. Gamelin y su equipo han desarrollado puntos cuánticos de perovskita, partículas diminutas miles de veces más pequeñas que un cabello humano, que pueden absorber fotones de alta energía y emitir el doble de fotones de baja energía, un proceso denominado «corte cuántico».»Cada fotón absorbido por una célula solar genera un electrón, por lo que el recubrimiento de puntos cuánticos de perovskita podría aumentar drásticamente la eficiencia de conversión.

Gamelin y su equipo han formado una empresa derivada llamada BlueDot Photonics para comercializar la tecnología. Con financiación de SETO, Gamelin y BlueDot están desarrollando técnicas de deposición para crear películas delgadas de materiales de perovskita para células solares de gran superficie y para mejorar las células solares de silicio convencionales.

El profesor de ingeniería química Hugh Hillhouse está utilizando algoritmos de aprendizaje automático para ayudar en la investigación de perovskitas. Usando fotoluminiscencia capturada por video de alta velocidad, Hillhouse y su grupo están probando una variedad de perovskitas híbridas para estabilidad a largo plazo. Estos experimentos generan enormes conjuntos de datos, pero mediante el aprendizaje automático, su objetivo es generar un modelo predictivo de degradación de las células solares de perovskita. Este modelo puede ayudarles a optimizar la composición química y la estructura de una célula solar de perovskita para lograr estabilidad a largo plazo, una barrera clave para la comercialización.

En Washington Clean Energy Testbeds, un laboratorio de acceso abierto operado por CEI, investigadores y empresarios pueden utilizar equipos de última generación para desarrollar, probar y escalar tecnologías como las células solares de perovskita. Con la impresora rollo a rollo en los bancos de pruebas, las tintas de perovskita se pueden imprimir a bajas temperaturas sobre sustratos flexibles. El director técnico de Testbeds, J. Devin MacKenzie, profesor de ciencia de materiales & ingeniería e ingeniería mecánica en UW, es experto en materiales y técnicas para la fabricación de alto rendimiento y baja huella de carbono. Uno de los proyectos más activos de su grupo, también financiado por SETO, es el desarrollo de instrumentos in situ que pueden medir el crecimiento de cristales de perovskita a medida que se depositan rápidamente durante la impresión rollo a rollo. Con el apoyo del Centro Conjunto para el Desarrollo e Investigación de Materiales Abundantes en la Tierra (JCDREAM), el grupo de MacKenzie también está utilizando la impresora de mayor resolución del mundo para desarrollar nuevos electrodos para extraer la corriente eléctrica de las células solares de perovskita sin bloquear la entrada de luz solar a la célula.