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¿Puede el nuevo material solar más emocionante estar a la altura de sus expectativas?
La perovskita promete ser menos costosa y más eficiente que el silicio, y varias empresas dicen que están cerca de producirla a escala.
29 de junio de 2021
Tecnologías de sauce
Antes, probar las células solares de perovskita en el laboratorio requería un buen par de zapatillas para correr. Los materiales se desmoronaron tan rápido que los científicos salían disparados del lugar donde fabricaban las células al lugar donde las probaban, tratando de medir su rendimiento antes de que las células se degradaran en sus manos, generalmente en un par de minutos.
perovskitas han encantado durante mucho tiempo a los investigadores con la promesa de producir células solares económicas y ultraeficientes. Y ahora, varias empresas están dando grandes pasos hacia la producción de células solares de perovskita comerciales a escala.
Pero la inestabilidad de los materiales ha amenazado con descarrilar su camino hacia los techos y las centrales eléctricas. Aunque algunas empresas dicen que han resuelto el desafío, al menos lo suficientemente bien como para lanzar productos preliminares al mercado dentro de un año, algunos investigadores aún se muestran escépticos.
La gente quiere que diga 'Sé con certeza que esto será estable, será eficiente y conquistaremos el mundo', dice José Berry , que dirige el programa de investigación de perovskita en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE.UU. Y una parte de mí cree eso, pero una parte de mí como científico dice: 'No tengo los datos'.
tomando el sol
Las perovskitas son materiales sintéticos, económicos y relativamente simples de producir incluso en grandes cantidades. Las perovskitas comunes que se usan en la energía fotovoltaica suelen ser algo así como el haluro de plomo de metilamonio, pero la familia de las perovskitas incluye miles de materiales que comparten la misma estructura cristalina. Revestidos sobre una base flexible, pueden producir células solares de película delgada que son livianas y flexibles.
Si bien han surgido varios materiales fotovoltaicos nuevos en las últimas décadas, ninguno ha hecho mella en el mercado, que está dominado por el silicio. Se encuentra en alrededor del 95% de las células solares existentes.
Algunas empresas de perovskita, como Tecnologías de sauce en Varsovia, están tratando de dejar atrás el silicio por completo. La empresa, fundada en 2014, desarrolló un proceso de impresión por inyección de tinta para fabricar células solares de perovskita recubiertas de un plástico flexible. Un panel que contiene células de Saule pesa aproximadamente una décima parte de un panel de silicio del mismo tamaño.
En mayo, Saule inauguró una fábrica que puede producir alrededor de 40.000 metros cuadrados de paneles al año. Eso es suficiente para generar alrededor de 10 megavatios de energía (algunas fábricas que producen celdas de silicio son cientos de veces más grandes).
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Estas células solares flexibles nos acercan a dejar el hábito de los combustibles fósiles Ningún material solar ha logrado suplantar al silicio. Las perovskitas, que son mucho más baratas y se pueden convertir en módulos flexibles, podrían cambiar eso.Si bien las perovskitas tienen el potencial de alcanzar altas eficiencias (la récord mundial para una celda de solo perovskita es un poco más del 25%), la mayoría de las celdas de perovskita de mejor rendimiento en la actualidad son pequeñas, de menos de una pulgada de ancho.
El aumento de escala hace que sea más difícil alcanzar los límites de eficiencia potencial. Ahora mismo, los paneles de Saule, que tienen un metro de ancho, alcanzan alrededor del 10% de eficiencia. Esto se ve eclipsado por los paneles comerciales de silicio de tamaños similares, que generalmente alcanzan una eficiencia de alrededor del 20%.
Olga Malinkiewicz , el fundador y director de tecnología de Saule, dice que el objetivo de la compañía era sacar una celda solar de perovskita únicamente, y las eficiencias más bajas no importarán si la tecnología es lo suficientemente barata.
Saule está tratando de llegar a donde los paneles solares de silicio no llegan: a techos que no pueden soportar el peso de pesados paneles revestidos de vidrio, o a aplicaciones más especializadas, como persianas que funcionan con energía solar, que la empresa está probando actualmente.
Mientras Saule está lanzando productos de película delgada para más aplicaciones de nicho, otras compañías esperan vencer, o al menos unirse, al silicio en su propio juego. Reino Unido Oxford fotovoltaica está incorporando perovskitas en celdas combinadas de perovskita y silicio.
Dado que el silicio absorbe la luz hacia el extremo rojo del espectro visible, y las perovskitas se pueden ajustar para absorber diferentes longitudes de onda, recubrir una capa de perovskita sobre las celdas de silicio permite que las celdas combinadas alcancen eficiencias más altas que el silicio solo.
Las celdas combinadas de Oxford PV son pesadas y rígidas, como las celdas de solo silicio. Pero dado que tienen el mismo tamaño y forma, las nuevas celdas pueden encajar fácilmente en paneles para paneles de techo o granjas solares.
Oxford PV combina perovskita y silicio para crear células solares de alta eficiencia.
OXFORD fotovoltaicachris caso , director de tecnología de Oxford PV, dice que la compañía se enfoca en reducir el costo nivelado de la electricidad, una métrica que tiene en cuenta la instalación de un sistema y los costos de operación de por vida. Si bien las capas de perovskitas sobre el silicio aumentan el costo de fabricación, dice que el costo nivelado de la celda combinada debería caer por debajo del silicio con el tiempo porque estas nuevas celdas son más eficientes. Oxford ha establecido varios récords mundiales en eficiencias para este tipo de celdas en los últimos años, alcanzando el 29,5% más recientemente.
Semiconductor Microquanta , una empresa china de perovskita con sede en Hangzhou, también está tomando algunas señales de las células solares de silicio. La empresa está fabricando paneles a partir de celdas rígidas revestidas de vidrio que están hechas con perovskitas.
La fábrica piloto de Microquanta abrió en 2020 y debería alcanzar los 100 megavatios de capacidad para fin de año, dice Buyi yan , el director de tecnología de la compañía. La empresa tiene paneles de demostración instalados en varios edificios y granjas solares en toda China.
Resolviendo para la estabilidad
La estabilidad de las perovskitas mejoró de minutos a meses en el lapso de unos pocos años. Pero la mayoría de las celdas de silicio instaladas hoy en día tienen una garantía de alrededor de 25 años, un objetivo que las perovskitas aún no pueden alcanzar.
Las perovskitas son particularmente sensibles al oxígeno y la humedad, que pueden interferir con los enlaces en el cristal, impidiendo que los electrones se muevan de manera efectiva a través del material. Los investigadores han estado trabajando para mejorar la vida útil de las perovskitas, tanto desarrollando recetas de perovskita menos reactivas como encontrando mejores formas de empaquetarlas.
Oxford PV, Microquanta y Saule dicen que han resuelto el problema de la estabilidad, al menos lo suficientemente bien como para vender sus primeros productos.
La estimación del rendimiento a largo plazo en las celdas solares generalmente se realiza mediante pruebas aceleradas, colocando las celdas o los paneles en condiciones de estrés adicional para simular años de desgaste. El conjunto más común de pruebas para celdas de silicio al aire libre es una serie llamada IEC 61215.
Oxford y Microquanta han superado las pruebas de esta serie relacionadas con el rendimiento de la celda. Saule ha pasado algunas de las pruebas, pero todavía está trabajando en otras, como la prueba de humedad, dice Malinkiewicz.
Pasar la serie completa generalmente significa que un panel solar de silicio durará al menos 25 años, aunque los investigadores no pueden estar seguros de si la misma correlación es válida para nuevos materiales como las perovskitas.
Oxford PV evaluó algunos de los miles de compuestos que componen la familia de las perovskitas para encontrar formulaciones más estables. La compañía se negó a revelar detalles de rendimiento, aunque Case dice que esperan absolutamente que sus productos tengan una vida útil similar a la de las células de silicio. La empresa instaló paneles de prueba en un techo en Europa central en diciembre de 2019, y Case dice que hasta ahora, los paneles que contienen sus células con capas de perovskita muestran la misma degradación que los paneles comerciales de silicio que instalaron para comparar.
Yan en Microquanta dice que la compañía instaló celdas de prueba al aire libre en febrero de 2020 que todavía alcanzan la misma potencia máxima hoy que cuando se instalaron.
Microquanta está demostrando sus paneles solares en edificios y granjas solares en toda China.
SEMICONDUCTOR MICROQUANTAPara mejorar la estabilidad de sus productos, Saule realizó cambios en los contactos metálicos de la celda, así como en la capa de perovskita. La primera generación de celdas de perovskita recubiertas de plástico de Saule tendrá una garantía de rendimiento mínima de 10 años, dice Malinkiewicz. Si bien las celdas de silicio duran más, espera que el precio más bajo y la facilidad de instalación convenzan a los clientes de aceptar una vida útil más corta.
Algunos investigadores no están convencidos por estas afirmaciones. Los problemas de estabilidad, que yo sepa, no se han abordado muy bien, dice letian dou , investigador de perovskita en la Universidad de Purdue en Indiana. Dou dice que es difícil saber qué están haciendo estas empresas, ya que mantienen en secreto sus desarrollos materiales, aunque agrega que pasar pruebas externas como la IEC 61215 es prometedor.
El laboratorio de Dou es uno de varios seleccionados recientemente para recibir fondos del Departamento de Energía de EE. UU. para tratar de resolver algunos de los problemas restantes de la tecnología. En marzo de 2021, el departamento anunció $40 millones en subvenciones para apoyar la investigación de perovskitas, principalmente para proyectos enfocados en mejorar la estabilidad de estos materiales y hacerlos más fáciles de fabricar.
Aunque las células de perovskita están recibiendo más financiación y atención, solo el tiempo dirá si pueden competir o coexistir con el silicio. Aún así, los investigadores son optimistas sobre la posibilidad de que suministren energía solar más barata y accesible. Las señales son todas buenas, dice Berry en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable.
Y, agrega, incluso después de años de investigación, las empresas que trabajan en este espacio aún tendrán que aceptar cierta incertidumbre. Si quieres estar a la vanguardia, dice, tendrás que vivir con cierto riesgo.