Los secretos de la perovskitaº

La principal fuente de energía es clara e inagotable a partir de la disponibilidad del Sol. Para captarla, empleamos placas fotovoltaicas capaces de transformarla en electricidad. Pero el verdadero secreto de esa extraordinaria transformación está en los materiales que componen los paneles.

Entre ellos, el más popular es el silicio. Se trata de un material semiconductor que absorbe los fotones –partículas de luz– de la radiación solar. Una vez absorbida, produce cargas eléctricas (huecos o ausencia de electrones y electrones) que sus extraídas en las células solares obtienen electricidad con una muy alta eficiencia.

Sin embargo, el silicio no es el único material capaz de realizar este proceso. En la actualidad contamos con varias alternativas, hay establecidas o emergentes, que no tienen nada que envidiarle.

Estas tecnologías están divididas en tres generaciones. La primera generación se centra en silicio cristalino, la segunda se divide en silicio multicristalino, calcogenuros –como telururo de cadmio (CdTe) o cobre indio galio selenio (CIGS)– y en materiales compuestos formados por elementos de los grupos III-V, como arsenio de galio (GaAs).

La primera y segunda tecnología están ya implantadas en edificios, granjas fotovoltaicas o incluso en tecnología aeroespacial.

La tercera generación –y la menos conocida– está formada por materiales emergentes como sus células solares sensibilizadas para colorear, las células solares orgánicas y, en última instancia, la célula perovskita, cuyo uso todavía no está extendido.

Más eficiente que el silicio

Para comparar tecnologías fotovoltaicas debemos fijarnos en la eficiencia de conversión. Este término hace referencia a la relación entre la producción de energía del dispositivo y la energía de la radiación solar que ingresa. Sus valores se utilizan para comparar el rendimiento entre células solares y entre tecnologías fotovoltaicas.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos comparó gráficamente las eficiencias certificadas más altas en cada tipo de células solares.

Si analizas detenidamente los gráficos que acompañan a esta nota, verás que las celdas solares de perovskita han obtenido un 25,7% de eficiencia, superando el retorno de las celdas solares comerciales de sílice policristalino (23,3% de eficiencia).

Las perovskitas, tras tan solo 15 años de su primer uso en células solares en 2009, cuando tan solo se obtuvo un 3,8% de eficiencia, han conseguido ser la tecnología fotovoltaica más prometedora de todas las tecnologías emergentes y comerciales.

¿Qué tiene de especial la perovskita?

Vamos has ver qué es el material perovskita, sus características y sus particularidades. El término está ligado al descubrimiento en el siglo XIX del mineral titanio y trióxido de calcio (CaTiO₃), cuya estructura cristalina es una forma tridimensional roja por la combinación de elementos de la forma ABX₃. A esta estructura se le llamó perovskita en homenaje al minerólogo Lev Alekseyevich von Perovski y de entonces, a todos los materiales con esta estructura cristalina se les denominan con ese número.

Hay diversas familias con esta estructura cristalina, por ejemplo basada en óxidos o haluros. Los materiales de esta última familia (haluros) son los más prometidos para la absorción eficiente de la energía solar. En concreto, sus materiales híbridos orgánico-inorgánicos, formados por la combinación de:

A: metilamonio, formamidinio o cesio.

B: un metal como plomo, estaño.

X: un haluro como cloro, bromo o yodo.

Estos materiales híbridos presentan un fascinante beneficio a nivel óptico y eléctrico, así como una eficiente absorción de luz ultravioleta y visible, rápida disociación de excitones – por hueco-electrón creado en un semiconductor tras la absorción de fotos de luz – en cargas libres debido a su conocimiento baja energía de enlace de excitones, y por último, una alta longitud de difusión de estas cargas libres para poder ser extraídas en el dispositivo fotovoltaico.

Además, modificando la composición en A, B y/o X con compuestos químicos puros o combinaciones podemos modular a voluntad las propiedades eléctricas de este material (las bandas de energía y su correspondiente banda prohibida) íntimamente relacionado con las propiedades ópticas del material modulando la Fracción de la radiación incidente que va a un absorbedor.

¿Cómo se fabrican estos materiales?

Existen varias formas de fabricar las perovskitas para disolver los precursores o evaporación térmica de las mismas al vacío, incluyendo técnicas laborales o industriales.

El spin-coating es una técnica de laboratorio que consiste en añadir una pequeña cantidad de líquido a un sustrato. Se creó la capa fina mediante rotación, eliminando el exceso de líquido por centrifugación.

El rollo a rollo (R2R) es un proceso industrial en el que los sustratos de sus rollos continuos ondulan la capa fina mediante una rotativa impresa, técnica muy utilizada en la impresión de periódicos o folietos.

Este material no requiere tratamiento térmico a alta temperatura, por lo que puede fabricarse con células solares flexibles o en tejidos. También posee un alto rendimiento aun manteniendo cierta transparencia, ideal para su posible instalación en ventanas. Asimismo, el bajo coste de los precursores necesarios para producirlo es otro aliciente para el desarrollo de esta nueva tecnología fotovoltaica.

Entonces, ¿cuándo podremos disfrutar de las maravillosas propiedades de la perovskita en nuestro día a día? Aún quedan algunos aspectos por mejorar, como la presencia de plomo y su estabilidad.

El plomo es esencial para alcanzar la alta eficiencia deseada y su cantidad es minima en el dispositivo. En la actualidad, se están desarrollando otros materiales de perovskita alternativos con elementos como el estaño sustituyendo al plomo.

Finalmente, el problema de establecer la solución puede utilizar técnicas de encapsulación en las que el uso de un agente encapsulante (por ejemplo, la combinación de resina epoxi y vidrio) evitará la entrada de humedad y la degradación.

Publicado originalmente en The Conversation (