Revelado el secreto para tratar el ‘talón de Aquiles’ de las alternativas a los paneles solares de silicio

Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas para imitar el proceso de envejecimiento bajo la luz solar y observar cambios en los materiales a nanoescala, lo que les ayudó a obtener nuevos conocimientos sobre los materiales, que también muestran potencial para aplicaciones optoelectrónicas como LED de bajo consumo y X- detectores de rayos, pero su longevidad es limitada.

Sus resultados, publicados en la revista Naturalezapodría acelerar significativamente el desarrollo de fotovoltaicos de perovskita comercialmente disponibles y de larga duración.

Las perovksitas son abundantes y mucho más baratas de procesar que el silicio cristalino. Se pueden preparar con tinta líquida que simplemente se imprime para producir una película delgada del material.

Si bien la producción de energía total de las células solares de perovskita a menudo puede igualar o, en el caso de los dispositivos «tándem» de varias capas, superar la que se puede lograr con la fotovoltaica de silicio tradicional, la longevidad limitada de los dispositivos es una barrera clave para su viabilidad comercial.

Un panel solar de silicio típico, como los que puede ver en el techo de una casa, suele durar entre 20 y 25 años sin pérdidas significativas de rendimiento.

Debido a que los dispositivos de perovskita son mucho más baratos de producir, es posible que no necesiten tener una vida útil tan larga como sus contrapartes de silicio para ingresar a algunos mercados. Pero para alcanzar su máximo potencial en la realización de la descarbonización generalizada, las células deberán operar durante al menos una década o más. Los investigadores y fabricantes aún tienen que desarrollar un dispositivo de perovskita con una estabilidad similar a las células de silicio.

Ahora, investigadores de la Universidad de Cambridge y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón, han descubierto el secreto para tratar el ‘talón de Aquiles’ de las perovskitas.

Usando técnicas de alta resolución espacial, en colaboración con la instalación de sincrotrón Diamond Light Source y su Centro de Imágenes de Ciencias Físicas de electrones (ePSIC) en Oxfordshire, y el Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia en Cambridge, el equipo pudo observar las propiedades a nanoescala de estas películas delgadas y cómo cambian con el tiempo bajo la iluminación solar.

El trabajo anterior del equipo que utilizó técnicas similares ha arrojado luz sobre los defectos que causan deficiencias en el rendimiento de la energía fotovoltaica de perovskita, las llamadas trampas portadoras.

«Iluminando las películas de perovskita a lo largo del tiempo, simulando el envejecimiento de los dispositivos de células solares, encontramos que la dinámica más interesante está ocurriendo en estos grupos de trampas nanoscópicas», dijo el coautor Dr. Stuart Macpherson del Laboratorio Cavendish de Cambridge.

“Ahora sabemos que los cambios que vemos están relacionados con la fotodegradación de las películas. Como resultado, las trampas portadoras que limitan la eficiencia ahora pueden vincularse directamente con el tema igualmente crucial de la longevidad de las células solares”.

«Es bastante emocionante», dijo el coautor, el Dr. Tiarnan Doherty, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge, y del Murray Edwards College, «porque sugiere que si puede abordar la formación de estas trampas superficiales, simultáneamente mejorará el rendimiento y la estabilidad de los dispositivos a lo largo del tiempo”.

Al ajustar la composición química y cómo se forma la película de perovskita, al preparar los dispositivos, los investigadores han demostrado que es posible controlar cuántas de estas fases perjudiciales se forman y, por extensión, cuánto durará el dispositivo.

“Los dispositivos más estables parecen estar reduciendo por casualidad la densidad de las fases perjudiciales a través de sutiles modificaciones estructurales y de composición”, dijo Doherty. “Esperamos que este documento revele un enfoque más racional y específico para hacer esto y lograr los dispositivos de mayor rendimiento que operen con la máxima estabilidad”.

El grupo es optimista de que sus últimos hallazgos nos acercarán aún más a los primeros dispositivos fotovoltaicos de perovskita disponibles comercialmente.

«Las células solares de perovskita están a punto de comercializarse, y las primeras líneas de producción ya producen módulos», dijo el Dr. Sam Stranks del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge, quien dirigió la investigación.

“Ahora entendemos que cualquier fase residual no deseada, incluso los pequeños bolsillos a nanoescala que quedan del procesamiento de las células, serán malas noticias para la longevidad de las células solares de perovskita. Los procesos de fabricación deben incorporar un ajuste cuidadoso de la estructura y la composición en un área grande para eliminar cualquier rastro de estas fases no deseadas, un control aún más cuidadoso de lo que se piensa ampliamente para estos materiales. Este es un gran ejemplo de la ciencia fundamental que guía directamente la fabricación a escala”.

«Ha sido muy satisfactorio ver que los enfoques que hemos desarrollado en OIST y Cambridge durante los últimos años brindan imágenes directas de estas pequeñas fases residuales no deseadas y cómo cambian con el tiempo», dijo el coautor Dr. Keshav Dani de Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST. «Se mantiene la esperanza de que estas técnicas continúen revelando los aspectos que limitan el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos, a medida que trabajamos para estudiar los dispositivos operativos».

“Otro punto fuerte de los dispositivos de perovskita es que pueden fabricarse en países donde no existe una infraestructura para procesar silicio monocristalino”, dijo Macpherson. “Las células solares de silicio son baratas a largo plazo, pero requieren un desembolso de capital inicial sustancial para comenzar a procesarlas. Pero para las perovskitas, debido a que pueden procesarse en solución e imprimirse tan fácilmente, utilizando mucho menos material, elimina ese costo inicial. Ofrecen una opción viable para los países de ingresos bajos y medianos que buscan hacer la transición a la energía solar”.

Referencia:
Samuel Stranks et al. ‘Las impurezas de fase locales a nanoescala son sitios de degradación en las perovskitas de haluro’. Naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04872-1