Estas células solares flexibles nos acercan a dejar el hábito de los combustibles fósiles

Foto ilustrativa de una perovskita. Foto cortesía de Oxford PV

• Las células solares de perovskita pueden ser más baratas, más livianas, más eficientes energéticamente y más fáciles de producir que el silicio tradicional
• Podrían colocarse en ventanas, superficies de forma irregular o incluso en vehículos en movimiento y abrir toda una nueva gama de usos para la energía solar, como la desalinización.
• El mayor desafío: hacerlos lo suficientemente duraderos

En diciembre pasado, los investigadores en un laboratorio en Oxford, Inglaterra, hicieron brillar una lámpara solar sobre una pequeña célula solar, de solo un centímetro cuadrado.

El dispositivo era en realidad dos celdas, apiladas una encima de la otra. El de abajo estaba hecho del tipo de silicio que se usa en los paneles solares estándar. Pero la parte superior era perovskita, un material con una estructura cristalina que es particularmente hábil para convertir la luz en electricidad.

Un par de sondas conectadas a la llamada celda solar en tándem midieron su desempeño. Otros investigadores en el laboratorio de Oxford PV, una empresa que surgió de la universidad en 2010, se reunieron detrás de un monitor de pantalla plana, esperando expectantes que apareciera un cálculo de la eficiencia de la celda. Cuando lo hizo, chocaron los cinco. La celda había convertido el 28% de la energía de la luz en electricidad, un nuevo récord de eficiencia para un dispositivo de perovskita sobre silicio. Una prueba independiente lo confirmó unos días después, después de que la diminuta célula se subiera a un avión hacia el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Golden, Colorado.

Celda solar de tamaño comercial de Oxford PV (izquierda) y la versión de un centímetro cuadrado (derecha).

Si bien los paneles de silicio pueden dominar el mercado, con una participación de mercado de alrededor del 95 %, el silicio no es un material solar especialmente bueno. Utiliza principalmente luz del extremo rojo e infrarrojo del espectro solar, y tiene que ser bastante grueso y voluminoso para absorber y convertir fotones. Los paneles solares de silicio más eficientes del mercado alcanzan menos del 23% de eficiencia, mientras que el máximo teórico para una sola capa de silicio ronda el 29%.

La perovskita, por otro lado, puede usar más luz que le llega y puede ajustarse para trabajar con diferentes partes del espectro. Oxford PV ha optado por el extremo azul. Emparejados en una celda, los dos materiales pueden convertir más fotones en electrones juntos de los que cualquiera puede entregar por sí solo.

Oxford PV planea entregar células solares basadas en perovskita y silicio al mercado a fines del próximo año, utilizando una fábrica alemana que adquirió en 2016 de Bosch Solar. Los dos materiales vendrán en un paquete que, por lo demás, se ve, envía e instala de la misma manera que un panel solar estándar, en una especie de medio paso que la compañía cree que facilitará la introducción de la tecnología en el mercado.

Planta de fabricación de Oxford PV en Alemania. Oxford fotovoltaica

Es la interrupción de la tecnología sin la interrupción del negocio, dice Chris Case, director de tecnología de Oxford PV.

Docenas de nuevas empresas que habían tratado de suplantar al silicio hace aproximadamente una década terminaron en bancarrota o fueron relegadas a un nicho de mercado. Pero los capitalistas de riesgo tienen invertido Decenas de millones de dólares en empresas de perovskita en los últimos meses, calentando lo que durante mucho tiempo había sido un mercado helado para materiales solares alternativos. La pregunta ahora es si las perovskitas también fracasarán o si finalmente vencerán a los paneles de silicio en el mercado.

Hay un conjunto completo de cosas que la convierten en una tecnología potencialmente transformadora, dice Joe Berry, quien dirige el programa de investigación de perovskita en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Pero la lista de tecnologías que han intentado competir con el silicio es larga y distinguida, por lo que también hay que ser humilde en ese sentido.

Una celda solar con esteroides

A fines de la década de 2000, una serie de nuevas empresas bien financiadas intentaron comercializar materiales solares nuevos y más flexibles, incluidas tecnologías de película delgada como telururo de cadmio y seleniuro de cobre, indio y galio (¿recuerdan a Solyndra?), así como cosas como células solares orgánicas. La promesa era que las células hechas de tales materiales serían mucho más baratas de fabricar y podrían producirse en varias formas.

Pero los paneles solares de silicio eran un objetivo que se movía rápidamente. Los niveles de eficiencia continuaron mejorando y los precios se desplomaron, Gracias a los esfuerzos de investigación financiados por el gobierno, las políticas de estimulación del mercado y las economías de escala.

Costos del sistema fotovoltaico comercial (dólares estadounidenses por vatio de corriente continua para sistemas de inclinación fija)

Fuente: Laboratorio Nacional de Energías Renovables | Gráfico creado por MIT Technology Review

China, en particular, empleó subsidios y estrategias agresivos para acelerar la fabricación y las exportaciones en una búsqueda por dominar el mercado. Los envíos de módulos de la nación y la participación en el mercado global despegaron a partir de mediados de la década de 2000, lo que provocó acusaciones de vertido ilegal con el objetivo de eliminar a los rivales en el extranjero. Los precios de los paneles comerciales de silicio se redujeron en más de la mitad entre 2010 y 2013, y el mercado de alternativas se hundió.

Así que en estos días, para justificar el enorme gasto de construir nuevas fábricas, cadenas de suministro y canales de distribución, cualquier material nuevo tiene que ser mejor en aspectos cruciales: más eficiente, más barato de fabricar, más versátil, más duradero o, idealmente, todos los sobre.

La perovskita brilla en algunas de esas categorías. En teoría, una sola capa puede alcanzar una eficiencia del 33 %, mientras que un dispositivo de perovskita sobre silicio en tándem podría alcanzar alrededor del 43 %. La alta eficiencia es importante porque puede producir más electricidad con la misma cantidad de paneles, o la misma cantidad con una huella más pequeña y costos más bajos.

Los módulos solares de perovskita también deberían ser más baratos de fabricar, al menos eventualmente. Producir paneles de silicio es un proceso de varios pasos proceso de fabricación eso implica refinar el silicio a altas temperaturas, infundirlo con otros materiales y cortarlo con precisión en obleas que luego deben modelarse con precisión en una sala limpia para crear una celda fotovoltaica.

Las perovskitas, por otro lado, pueden producirse a bajas temperaturas y usarse en forma líquida para recubrir materiales flexibles como el plástico, lo que permite un proceso de fabricación rollo a rollo similar a la impresión de periódicos.

Al reutilizar la planta de fabricación de película delgada de Bosch, Oxford PV espera poder producir en masa células de silicio y perovskita para fines del próximo año y empaquetarlas juntas en paneles de apariencia estándar.

Es una celda solar ordinaria con esteroides, dice Case.

En marzo, Oxford PV dijo que había elevado más de $ 40 millones para llevar sus productos al mercado, lo que eleva su financiamiento total a alrededor de $ 100 millones. La fábrica bombeará 250 megavatios de celdas cada año.

Otra startup de perovskita, Energy Materials, también busca utilizar la fabricación de rollo a rollo. Con sede en Rochester, Nueva York, utiliza equipos de filmación construidos originalmente para Eastman Kodak para producir en masa paneles solares solo de perovskita. A gran escala, el proceso costará la mitad que la fabricación de un módulo solar tradicional, mientras que los costos de capital serán mucho más baratos, porque el silicio requiere máquinas y plantas costosas y precisas, dice Thomas Tombs, director de tecnología de la compañía.

Celda solar de perovskita flexible de Swift Solar. energía solar veloz

Dado que la perovskita puede ser flexible, semitransparente y liviana, también podría usarse donde los paneles solares rígidos y pesados ​​no funcionarían: en ventanas, techos más chirriantes, superficies de forma irregular o incluso vehículos en movimiento.

Swift Solar, una startup afiliada a NREL que ha elevado casi $7 millones en los últimos meses, es mirando a colocando células solares en tándem de perovskita-perovskita, que usan dos capas de perovskita, cada una sintonizada en una parte diferente del espectro, en drones y vehículos eléctricos para ampliar su alcance, según su director ejecutivo, Joel Jean. Tal celda podría ser altamente eficiente, así como más flexible y liviana que una con una gruesa capa de silicio.

Desbloqueo de nuevos usos para la energía solar

en su libro domar el sol, Varun Sivaram, director de tecnología de ReNew Power, argumenta que las nuevas tecnologías solares como las perovskitas pueden ser esenciales para desplazar en última instancia a los combustibles fósiles.

Pero, ¿por qué necesitamos energía solar aún más barata si los paneles de silicio ya son competitivos, por ejemplo, con una planta de carbón?

Uno de los mayores problemas con la energía solar es que una vez que genera una parte significativa de la electricidad en la red, el valor adicional del siguiente panel o planta comienza a disminuir drásticamente.

Esto se debe a que, por la noche, las granjas solares no generan electricidad en absoluto, lo que significa que el resto del sistema aún debe ser capaz de satisfacer la demanda total. En los días soleados, por otro lado, puede haber más electricidad de la que el sistema puede usar o almacenar. Eso ya está sucediendo en regiones con mucha energía solar, como Alemania, China y California.

Los operadores de la red regularmente tienen que forzar o incentivar a las granjas solares para que reduzcan su producción, a menudo empujando los precios a cero o incluso por debajo. Eso puede exprimir las ganancias de las plantas solares, lo que elimina los incentivos económicos para construir más y seguir reduciendo el uso de combustibles fósiles.

en un papel publicado en Nature Energy en 2016, Sivaram y Shayle Kann, ahora director gerente de la firma de capital privado Energy Impact Partners, calcularon que para preservar los incentivos económicos para seguir construyendo más plantas, el costo de desarrollar energía solar tendría que caer a 25 centavos por vatio. . Los costos totales de los sistemas comerciales más baratos son de $1.06 por vatio, según el último informe NREL .

Gran parte de eso se debe al alto precio de instalar y cablear el voluminoso hardware. Por lo tanto, reducir drásticamente el precio probablemente requerirá no solo celdas solares muy baratas, sino también livianas y flexibles que sean más fáciles de implementar. Las perovskitas son el material más prometedor para dar ese salto hoy en día, dice Sivaram.

La electricidad solar barata también podría reducir el costo de cosas como la desalinización del agua de mar, los árboles artificiales que pueden extraer el dióxido de carbono de la atmósfera o las plantas de electrólisis que pueden convertir el excedente de energía en combustible de hidrógeno.

Desbloquea todas estas otras aplicaciones nuevas en las que nunca antes habíamos pensado, dice Sivaram.

El problema de la inestabilidad

La pregunta más difícil que rodea a las perovskitas es su durabilidad. Los saltos de eficiencia no importan mucho si el material dura solo unos pocos meses o incluso años, y hasta ahora, las perovskitas han tendido a degradarse rápidamente cuando se exponen a la luz ultravioleta y la humedad.

Ese es un problema muy grande para un material que necesita permanecer bajo el sol durante algunas décadas. Y si las empresas implementan paneles de perovskita que terminan fallando demasiado pronto, empañará la reputación del material incluso si luego desarrollan versiones más duraderas.

Un trabajador de Oxford PV examina células solares en tándem de perovskita y silicio de tamaño comercial. Oxford fotovoltaica

Por ahora, el plan de mercado de Oxford PV depende de si su celda de perovskita-silicio puede funcionar y parecerse a un panel solar de silicio estándar, lo que incluye empaquetarlo en una carcasa de vidrio que ayudará a que dure más.

Pero la compañía tuvo que trabajar duro en la estabilidad del material en sí, empleando modelos computacionales y una detección rápida para identificar composiciones prometedoras entre medio millón de posibilidades. La receta de la empresa para las perovskitas es patentada, pero su director ejecutivo, Frank Averdung, es optimista. Hemos resuelto el problema de la fiabilidad, dice. Lo hemos logrado, y esta es la razón por la que ahora podemos pasar al modo de fabricación.

esconder