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Cristales controlados hacen que un nuevo material solar sea práctico
Una nueva forma de controlar el crecimiento de materiales cristalinos llamados perovskitas podría conducir a células solares comerciales que alcancen un punto óptimo de alto rendimiento y bajo costo. Aunque las células de perovskita individuales han logrado resultados prometedores en el laboratorio, hasta ahora no estaba claro cómo podrían fabricarse en lotes uniformes.
Ciertas perovskitas pueden recolectar la energía de la luz solar de manera muy eficiente porque absorben fuertemente tanto la luz visible como la infrarroja. Y a diferencia de las películas de silicio, que se fabrican a altas temperaturas, las películas de perovskita se pueden fabricar a partir de una solución a temperaturas mucho más bajas. Debería ser posible fabricar células solares de perovskita utilizando métodos de bajo costo y bajo consumo de energía, como la impresión.
Las primeras celdas de perovskita se fabricaron en 2009, pero la mejor ya puede convertir 17,9 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad. Eso está empezando a ser competitivo con las células comerciales de película delgada como el telururo de cadmio y el silicio, dice Timoteo Kelly , químico de la Universidad de Saskatchewan en Saskatoon, Canadá.
Sin embargo, ha resultado difícil fabricar células solares de perovskita de alta calidad de forma consistente. En los lotes realizados hasta ahora, existe una amplia variación en la eficacia con la que las células individuales pueden convertir la luz en electricidad. Cuando haces 10 celdas de perovskita diferentes, obtienes 10 eficiencias diferentes, dice Prashant Kamat , químico de la Universidad de Notre Dame en Indiana. Es frustrante.
El problema es causado por la variación en el tamaño de los cristales en diferentes células. Para los electrones en una celda solar, los límites entre los cristales son como paredes, por lo que los cristales más grandes ofrecen menos impedimentos para el flujo de electricidad. Nueva investigación publicada hoy en la revista Naturaleza Nanotecnología podría proporcionar una forma de resolver ese problema al mostrar cómo controlar el crecimiento de los cristales de perovskita.
La perovskita que se está desarrollando para las células solares tiene una lista de ingredientes que incluye un hidrocarburo, amoníaco, plomo y yodo. Hay muchas perovskitas, el nombre hace referencia a la estructura cristalina de estos materiales, pero esta en particular es la más prometedora para su uso en células solares. Los cristales se fabrican en un proceso de dos pasos que comienza con el recubrimiento de una superficie con una solución de yoduro de plomo y se deja secar. Luego, la superficie se recubre con una solución de yoduro de metil amonio. A medida que se seca, los compuestos de las dos capas se unen para formar cristales de perovskita.
Michael Grätzel , químico de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza, y Parque Nam Gyu , un químico de la Universidad de Sungkyunkwan en Corea, ahora ha elaborado una receta para tomar el control de ese proceso. Descubrieron que al controlar cuidadosamente las concentraciones de las soluciones iniciales y otras condiciones de procesamiento, podían hacer películas de perovskita de manera consistente con los cristales más grandes necesarios para una célula solar eficiente.
Los grupos suizo y coreano utilizaron estos métodos para fabricar células solares de perovskita con una eficiencia promedio del 16,4 por ciento y muy poca variación en la eficiencia entre diferentes células.
Park dice que ahora que es posible fabricar perovskita de alta calidad de manera confiable, es hora de abordar otros problemas con el material. Una es que la humedad hace que los materiales se descompongan y pierdan metilamonio. Park dice que los investigadores necesitan encontrar una manera de sellar las células solares de perovskita contra la humedad o encontrar nuevas versiones de los materiales. Otro problema es que los materiales están hechos con plomo, que es tóxico.
Habiendo aprendido de estos materiales, deberíamos pasar a otros, porque el plomo no es ambientalmente benigno, y este material no es estable, dice Mercouri Kanatzidis , químico de la Universidad Northwestern en Illinois. Él y el científico de materiales de Northwestern Roberto chang han estado desarrollando una perovskita sin plomo que sustituye al estaño. Actualmente solo convierte la luz en energía eléctrica con una eficiencia del 6 por ciento. Pero ambos son optimistas y señalan cómo los materiales a base de plomo mejoraron rápidamente de alrededor del 3 por ciento en 2009 a alrededor del 18 por ciento en la actualidad.
Mientras tanto, Grätzel cree que los materiales existentes aún no han alcanzado sus límites superiores de rendimiento. Creo que una eficiencia del 20 por ciento debería ser posible en el corto plazo, dice.