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Un querido colega nos comparte el presente artículo, escrito por Yvaine Ye, publicado el 21 de marzo de 2024 en el boletín CU Boulder Today de la University of Colorado (CU) en Boulder y traducido por
nosotros para este espacio. Veamos de qué se trata…
El mundo de la energía solar está listo para una revolución. Los científicos se apresuran a desarrollar un nuevo tipo de celda solar utilizando materiales que puedan convertir la electricidad de manera más eficiente que los paneles actuales.
En un artículo publicado el 26 de febrero en la revista Nature Energy, un investigador de la University of Colorado (CU) en Boulder y sus colaboradores internacionales dieron a conocer un método innovador para fabricar nuevas celdas solares, conocidas como celdas de perovskita, un logro fundamental para la comercialización de lo que muchos consideran la próxima generación de tecnología solar.
Hoy en día, casi todos los paneles solares están hechos de silicio, que cuenta con una eficiencia del 22%. Esto significa que los paneles de silicio sólo pueden convertir alrededor de una quinta parte de la energía solar en electricidad porque el material absorbe sólo una proporción limitada de las longitudes de onda de la luz solar. La producción de silicio también es cara y consume mucha energía.
Introduciendo la perovskita
La celda de perovskita está hecha en parte de material sintético que ha sido modelado en base a la estructura cristalina especial de un mineral llamado perovskita. Esta estructura absorbe la luz solar de una manera diferente y más eficaz que las celdas de silicio, es decir tiene el potencial de convertir considerablemente más energía solar a un costo de producción más bajo.
La perovskitas sintética toman su nombre del mineral homónimo, perovskita, que fue descubierto por primera vez en 1839 en los montes Urales por Gustav Rose y que se nombró en reconocimiento del mineralogista ruso L. A. Perovski (1792–1856).
Y efectivamente, este nuevo material tiene el mismo tipo de estructura cristalina que el titanato de calcio (CaTiO3), conocida como estructura de perovskita.
"Las perovskitas podrían cambiar las reglas del juego", dijo Michael McGehee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biológica y miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible de UC en Boulder.
Los científicos han estado probando celdas solares de perovskita apilándolas encima de células de silicio tradicionales para formar celdas en tándem. La colocación de dos materiales en capas, cada uno de los cuales absorbe una parte diferente del espectro solar, puede aumentar potencialmente la eficiencia de los paneles en más del 50%.
"Todavía estamos viendo una rápida electrificación en todo el mundo, incluyendo un mayor número de automóviles funcionando con electricidad. Para reducir el avance del cambio climático, esperamos retirar más plantas de carbón y eventualmente deshacernos de las plantas de gas natural", dijo McGehee. "Si creemos que vamos a tener un futuro totalmente renovable, entonces debemos estar planeando que los mercados eólico y solar se expandan al menos entre cinco y diez veces con relación a como estamos ahora. "
Para lograrlo, afirmó, la industria debe mejorar la eficiencia de las celdas solares.
Pero un desafío importante al fabricarlos a partir de perovskita a escala comercial es el proceso de recubrir el semiconductor sobre las placas de vidrio que son los componentes básicos de los paneles. Actualmente, el proceso de recubrimiento tiene que realizarse en una pequeña caja llena de gas no reactivo, como nitrógeno, para evitar que las perovskitas reaccionen con el oxígeno, lo que disminuye su rendimiento.
"Esto está bien en la etapa de investigación, pero cuando comienzas a recubrir grandes piezas de vidrio, se vuelve cada vez más difícil hacerlo en una caja llena de nitrógeno", dijo McGehee.
McGehee y sus colaboradores encontraron una forma de evitar esa reacción dañina con el aire. Descubrieron que agregar formiato de dimetilamonio, o DMAFo, a la solución de perovskita antes del recubrimiento podría evitar que los materiales se oxidaran.
Este descubrimiento permite que el recubrimiento se realice fuera de la pequeña caja, en el aire ambiente. Los experimentos demostraron que las celdas de perovskita fabricadas con el aditivo DMAFo pueden alcanzar una eficiencia de casi el 25% por sí solas, comparable al récord actual de eficiencia de las celdas de perovskita del 26%.
El aditivo también mejoró la estabilidad de las celdas.
Los paneles de silicio comerciales normalmente pueden mantener al menos el 80% de su rendimiento después de 25 años, perdiendo alrededor del 1% de eficiencia por año. Las células de perovskita, sin embargo, son más reactivas y se degradan más rápido en el aire. El nuevo estudio demostró que la célula de perovskita fabricada con DMAFo conservaba el 90% de su eficiencia después de que los investigadores las expusieran a luz LED que imitaba la luz solar durante 700 horas. Por el contrario, las células creadas en el aire sin DMAFo se degradaron rápidamente después de sólo 300 horas.
Si bien se trata de un resultado muy alentador, en un año solo se pueden se realizar 8,000 horas de prueba, señaló. Por lo tanto, se necesitan pruebas más largas para determinar cómo estas celdas se mantienen en el tiempo.
"Es demasiado pronto para decir que son tan estables como los paneles de silicio, pero estamos en una buena trayectoria hacia ello", dijo McGehee.
El estudio acerca las celdas solares de perovskita un paso más a la comercialización. Al mismo tiempo, el equipo de McGehee está desarrollando activamente celdas en tándem con una eficiencia real superior al 30% y que tienen la misma vida útil que los paneles de silicio. El objetivo es crear tándems que sean más eficientes que los paneles de silicio convencionales e igualmente estables durante un período de 25 años.
Con mayor eficiencia y precios potencialmente más bajos, estas celdas en tándem podrían tener aplicaciones más amplias que los paneles de silicio existentes, incluida la posible instalación en los techos de vehículos eléctricos. Podrían añadir entre 24 y 40 kilómetros de autonomía por día a un coche expuesto al sol, suficiente para cubrir los desplazamientos diarios de muchas personas. Los drones y los veleros también podrían funcionar con estos paneles.
Después de una década de investigación en perovskitas, los ingenieros han construido celdas de perovskita que son tan eficientes como las celdas de silicio, que se inventaron hace 70 años, dijo McGehee. "Estamos llevando las perovskitas a la meta. Si los tándems funcionan bien, ciertamente tienen el potencial de dominar el mercado y convertirse en la próxima generación de celdas solares", afirmó.
