Relación de amor-odio de las células solares de perovskita con el sol

Las células solares hechas de perovskita son el centro de muchas investigaciones solares recientes. El material es barato, fácil de producir y casi tan eficiente como el silicio, el material tradicionalmente utilizado en las células solares. Sin embargo, las células de perovskita tienen una relación de amor-odio con el sol. La luz que necesitan para generar electricidad, también perjudica la calidad de las células, limitando severamente su eficiencia y estabilidad en el tiempo.

Unas investigaciones de científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y de las universidades de China y de los Estados Unidos arrojan ahora nueva luz sobre las causas de esta degradación y allanan el camino para el diseño de nuevas composiciones de perovskita para las células solares estables definitivas.

La perovskita es una alternativa atractiva al silicio, porque es abundante y fácil de producir. Además, en la última década, el rendimiento de las células solares de perovskita ha mejorado drásticamente, con tasas de eficiencia que alcanzan más del 25 por ciento, lo que se acerca a las mejores células solares de silicio.

La nueva investigación se centra en las células solares de perovskita fabricadas con yoduro de plomo y formamidinio-cesio, un compuesto de haluro que se ha hecho cada vez más popular por combinar una alta eficiencia y una resistencia al calor razonable con bajos costos de fabricación.

Sin embargo, los paneles solares hechos de este compuesto en particular tienen una relación bastante ambivalente con la luz solar, un problema bien conocido pero apenas comprendido. Si bien la luz del sol las alimenta con la tan deseada energía para convertirla en electricidad, también perjudica la estabilidad de las células. Y con el tiempo, esto afecta a su rendimiento.

La estructura atómica de la perovskita mixta FACsPbI3, donde se separa en dos agrupaciones de CsPbI3 (región verde) y FAPbI3 bajo una excitación lumínica. (Foto: Shuxia Tao (TU/e))

Para entender por qué esto es así, los investigadores de la TU/e, la Universidad de Pekín y la Universidad de California en San Diego hicieron tanto experimentos prácticos - monitoreando el rendimiento fotovoltaico de los paneles durante 600 horas de exposición y caracterizando las perovskitas degradadas - como análisis teóricos.

A partir de esto concluyen que la luz solar genera partículas cargadas en la perovskita, que tienden a fluir a lugares del panel solar donde la banda prohibida (la cantidad mínima de energía necesaria para generar electrones libres) es menor, en este caso la perovskita de formamidinio. Las diferencias de energía resultantes hacen que los compuestos mezclados que funcionaban tan bien juntos para hacer la célula eficiente, se separen en cúmulos separados. Parece que especialmente los cúmulos con alto contenido de cesio son fotoinactivos y bloquean la corriente, limitando el rendimiento del dispositivo.

Según Shuxia Tao, quien junto con la candidata a doctorado Zehua Chen y su colega Geert Brocks fue responsable de la parte de la investigación de la TU/e, los nuevos hallazgos son un paso más para encontrar el camino hacia posibles soluciones.

"Combinando pruebas macroscópicas, caracterización de materiales microscópicos y modelado atomístico, fuimos capaces de comprender a fondo la inestabilidad de las perovskitas de haluro que es intrínseca al funcionamiento del dispositivo. Esto abre la posibilidad de diseñar nuevas composiciones de perovskitas para las células solares estables definitivas".

Las posibles estrategias incluyen el uso de aditivos para mejorar la interacción química dentro de los materiales de los paneles, el ajuste de las bandas prohibidas mediante el uso de otros elementos como el bromuro y el rubidio en lugar del yoduro y el cesio, o la modificación de los niveles de energía para extraer fotoportadores de forma más eficiente.

Tao enfatiza que se necesita más investigación para ver qué solución funciona mejor. Además, la separación de los compuestos de haluro no es la única causa de la degradación de la perovskita. Estas causas adicionales requieren un análisis aparte.

Si todos los problemas se resuelven, los paneles solares de perovskita podrían convertirse en la próxima gran revolución en el ámbito de la energía solar. De momento, se siguen comercializando equipos fotovoltaicos de paneles solares basados en el silicio. (Fuente: NCYT Amazings)