Panel solar de perovskita con 30 años de vida útil

Los investigadores de Princeton Engineering han desarrollado la primera célula solar de perovskita con una vida útil comercialmente viable, lo que marca un hito importante para una clase emergente de tecnología de energía renovable. El equipo proyecta que su dispositivo puede funcionar por encima de los estándares de la industria durante unos 30 años, mucho más que los 20 años utilizados como umbral de viabilidad para las células solares.

El dispositivo no solo es muy duradero, sino que también cumple con los estándares comunes de eficiencia. Es el primero de su tipo en competir con el rendimiento de las células basadas en silicio, que han dominado el mercado desde su introducción en 1954.

Ventajas de la perovskita como material para la energía solar

Las perovskitas son semiconductores con una estructura cristalina especial que los hace muy adecuados para la tecnología de células solares. Se pueden fabricar a temperatura ambiente, utilizando mucha menos energía que el silicio, lo que los hace más económicos y sostenibles de producir. Y mientras que el silicio es rígido y opaco, las perovskitas se pueden hacer flexibles y transparentes, extendiendo la energía solar mucho más allá de los paneles icónicos que pueblan las laderas y los techos de todo Estados Unidos.

Pero a diferencia del silicio, las perovskitas son notoriamente frágiles. Las primeras células solares de perovskita (PSC), creadas entre 2009 y 2012, duraban solo unos minutos.

La vida útil proyectada del nuevo dispositivo representa un aumento de cinco veces con respecto al récord anterior, establecido por un PSC de menor eficiencia en 2017. (Ese dispositivo funcionó bajo iluminación continua a temperatura ambiente durante un año. El nuevo dispositivo funcionaría durante cinco años bajo condiciones de laboratorio similares).

El equipo de Princeton, dirigido por Lynn Loo , profesor de ingeniería Theodora D. ’78 y William H. Walton III ’74, reveló su nuevo dispositivo y su nuevo método de prueba en un artículo publicado el 16 de junio en Science.

Loo dijo que el diseño sin precedentes ha destacado el potencial duradero de las PSC, especialmente como una forma de impulsar la tecnología de células solares más allá de los límites del silicio. Pero también señaló, más allá del resultado principal, la nueva técnica de envejecimiento acelerado de su equipo como el significado más profundo del trabajo.

“Es posible que tengamos el récord hoy”, dijo, “pero alguien más vendrá con un mejor récord mañana. Lo realmente emocionante es que ahora tenemos una manera de probar estos dispositivos y saber cómo funcionarán a largo plazo”.

Debido a la conocida fragilidad de las perovskitas, las pruebas a largo plazo no han sido una gran preocupación hasta ahora. Pero a medida que los dispositivos mejoren y duren más, probar un diseño contra otro será crucial para implementar tecnologías duraderas y amigables para el consumidor.

«Es probable que este documento sea un prototipo para cualquiera que busque analizar el rendimiento en la intersección de la eficiencia y la estabilidad», dijo Joseph Berry, miembro principal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable que se especializa en la física de las células solares y que no era involucrados en este estudio. “Al producir un prototipo para estudiar la estabilidad y mostrar lo que se puede extrapolar [a través de pruebas aceleradas], está haciendo el trabajo que todos quieren ver antes de comenzar las pruebas de campo a escala. Te permite proyectar de una manera realmente impresionante”.

Si bien la eficiencia se ha acelerado a un ritmo notable durante la última década, dijo Berry, la estabilidad de estos dispositivos ha mejorado más lentamente. Para que se generalicen y sean implementadas por la industria, las pruebas deberán volverse más sofisticadas. Ahí es donde entra en juego el proceso de envejecimiento acelerado de Loo.

“Este tipo de pruebas van a ser cada vez más importantes”, dijo Loo. “Puedes hacer las células solares más eficientes, pero no importará si no son estables”.

A principios de 2020, el equipo de Loo estaba trabajando en varias arquitecturas de dispositivos que mantendrían una eficiencia relativamente fuerte, convirtiendo suficiente luz solar en energía eléctrica para que fueran valiosos, y sobrevivir a la avalancha de calor, luz y humedad que bombardean una celda solar durante su vida útil.

Xiaoming Zhao, investigador postdoctoral en el laboratorio de Loo en el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente , había estado trabajando en una serie de diseños con colegas. Los esfuerzos colocaron diferentes materiales en capas para optimizar la absorción de la luz y proteger las áreas más frágiles de la exposición. Desarrollaron una capa de recubrimiento ultrafina entre dos componentes cruciales: la capa absorbente de perovskita y una capa portadora de carga hecha de sal cúprica y otras sustancias. El objetivo era evitar que el semiconductor de perovskita se quemara en cuestión de semanas o meses, la norma en ese momento.

Es difícil comprender cuán delgada es esta capa de cobertura. Los científicos usan el término 2D para describirlo, lo que significa dos dimensiones, como algo que no tiene ningún grosor.

En realidad, tiene solo unos pocos átomos de espesor, más de un millón de veces más pequeño que la cosa más pequeña que puede ver el ojo humano.

Si bien la idea de una capa de cobertura 2D no es nueva, todavía se considera una técnica emergente prometedora. Los científicos de NREL han demostrado que las capas 2D pueden mejorar en gran medida el rendimiento de larga distancia, pero nadie había desarrollado un dispositivo que acercara a las perovskitas al umbral comercial de una vida útil de 20 años.

Zhao y sus colegas realizaron decenas de permutaciones de estos diseños, cambiando detalles minuciosos en la geometría, variando el número de capas y probando docenas de combinaciones de materiales. Cada diseño entró en la caja de luz, donde podían irradiar los dispositivos sensibles con una luz brillante implacable y medir su caída en el rendimiento con el tiempo.

En el otoño de ese año, cuando la primera ola de la pandemia disminuyó y los investigadores regresaron a sus laboratorios para realizar sus experimentos en turnos cuidadosamente coordinados, Zhao notó algo extraño en los datos. Un conjunto de dispositivos todavía parecía estar funcionando cerca de su máxima eficiencia.