Las células solares de perovskita acaban de dar un paso de gigante contra su punto débil: la durabilidad

En el campo de la fotovoltaica el silicio es el rey. Sin discusión. Se calcula que las celdas solares de silicio cristalino representan cerca del 95% del mercado fotovoltaico, un porcentaje aplastante que no impide que los investigadoras sigan innovando en busca de mayores cuotas de rendimiento. Si de lo que hablamos es de promesas y expectativas, sin embargo, el protagonismo probablemente es para otros materiales: la familia de las perovskitas, para muchos el “santo grial” de las tecnologías fotovoltaicas por sus propiedades “óptimas” para transformar energía solar en eléctrica.

A lo largo de los últimos años su desarrollo ha sido notable y acelerado, sobre todo si se compara con el ritmo mucho más pausado que experimentó durante décadas el silicio. “Cuando se publicó la primera célula solar fabricada con una perovskita en 2009 se reportó una eficiencia del 3,8%. Es una cifra muy baja. Además, se degradaba en horas. Ahora mismo están en el 25,5% y no se degradan en horas”, explicaba en 2021 Ignacio Mártil de la Plaza, catedrático de electrónica la Complutense.

Lejos de pausarse, el desarrollo ha seguido en marcha, tanto en lo que se refiere a las células de perovskita como los dispositivos en “tándem” que las combinan con otras basadas en silicio. Para despejar su futuro necesita avanzar sin embargo en varios frentes clave: la mejora de su resistencia, rendimiento y duración. Un grupo de científicos de la Universidad de Oxford, mano a mano con otros colegas australianos y de Estados Unidos, acaban de dar un paso valioso para aproximar la durabilidad de las células solares de perovskita a las de silicio, un logro importante.

"Si no dura, no tendrá tanto valor"

Su nueva aportación no pasa por una mejora centrada en los materiales o el diseño de las placas, sino por un método de elaboración de células de perovskita estables, con menos defectos y —lo más interesante, probablemente— el potencial de competir con la durabilidad del silicio.

La clave está en cómo las elaboran: eliminando el disolvente dimetilsulfóxido e introduciendo cloruro de dimetilamonio, un pequeño cambio que permitió a los investigadores mejorar su control sobre las fases intermedias del proceso de cristalización. El resultado —precisan en Science Daily— son “películas delgadas, de mayor calidad, con defectos reducidos y una mayor estabilidad”.

Para comprobar cómo de efectivo resultaba el método, los científicos experimentaron con una muestra de 138 dispositivos que pusieron a prueba con un proceso de envejecimiento acelerado a temperaturas y en condiciones reales. Los resultados invitan al optimismo. Las células de perovskita que habían creado con el nuevo proceso de síntesis “superaron significativamente” al grupo de control y demostraron su capacidad para resistir ante el calor, humedad y radiación.

El avance es clave para mejorar la eficiencia de las celdas de peroskita y conseguir que los dispositivos en “tándem” que la combinan con silicio ganen aún más atractivo. “Es muy importante que la gente empiece a darse cuenta de que el rendimiento no tiene valor si no resulta estable. Si el dispositivo dura un día o semana, o algo por el estilo, no tendrá tanto valor. Además tiene que durar años”, reflexiona Philippe Holzhey, estudiante de la Universidad de Oxford y coautor del trabajo. El estudio completo, dirigido por Henry Snaith y Udo Bach, profesores respectivamente de Oxford y Monash, puede consultarse de forma íntegra en la prestigiosa revista Nature Materials.

💠Ammonium is the secret ingredient in stable, efficient & scalable perovskite solar cells, say @excitonscience @MonashUni and @CSIRO https://t.co/JIHWBK2IB3 pic.twitter.com/tsZdC0qCXp

— Au Science Media Ctr (@AusSMC) December 22, 2022

¿Qué mostraron exactamente las pruebas? Que cuando se sometió el prototipo durante más de 1.400 horas a unas condiciones de luz solar simulada a 65ºC, el mejor de los dispositivos funcionó durante más de 1.400 horas por encima del umbral T80, un punto de referencia habitual en el sector que indica el tiempo que tarda una célula solar en verse reducida al 80% de su eficiencia inicial.

Cuando los científicos pasaron de las 1.600 horas comprobaron otras respuestas interesantes: el dispositivo de control que habían fabricado con el método convencional —usando dimetilsulfóxido— dejó de funcionar, mientras que los elaborados con el nuevo diseño mejorado conservaron el 70% de su eficiencia original incluso con condiciones de envejecimiento acelerado. El resultado de las nuevas celdas mejoró también al del grupo de control cuando se las sometió a temperaturas de 85ºC.

Con los datos ya sobre la mesa los investigadores concluyeron que las nuevas células envejecen a un factor de 1,7 por cada aumento de 10ºC en la temperatura a la que permanecen expuestas, lo que se aproxima al aumento esperado para los dispositivos comerciales de silicio. “Hemos proporcionado a la comunidad de investigación una segunda forma de fabricar células solares de perovskita de alta calidad”, reivindican desde el Scimex, que incide en que el nuevo método señala “un camino para crear una fotovoltaica de perovskita duradera y eficiente a escala industrial”.

Las películas de semiconductores formadas por compuestos de perovskitas destacan por su flexibilidad y coste, entre otros factores, y a lo largo de los últimos años los investigadores han avanzado para mejorar su eficiencia. Hace poco, de hecho, un grupo de científicos del Helmhltz-Zentrum Berlin (HZB) registraban un récord al lograr una eficiencia del 32,5% con células solares en "tándem" formadas por silicio y perovskita, pero quedan por resolver aún retos clave, como su ritmo de degradación en condiciones reales si se compara con las células de silicio.

Ahora los expertos han logrado avanzar en esa senda, fundamental.

Imagen de portada: SCIMEX