Energía

Avances en alternativas al silicio fotovoltaico


Las células fotovoltaicas de polímero o perovskitas ya alcanzan rendimiento comparables al silicio, pero queda trabajo de investigación y tareas de comercialización.

La mayoría de las placas fotovoltaicas que se instalan están basadas en silicio semiconductor, sea monocristalino o policristalino. Esta tecnología está muy bien testada y llega al 25% de rendimiento. El vatio instalado ya está por debajo de un euro y es de esperar que baje aún más. Sin embargo, para su confección se usa mucha energía.

Además, están las células fotovoltaicas multicapa basadas en arseniuro de galio y similares que alcanzan rendimientos por encima del 40%, pero que son muy caras y hechas de elementos químicos que no son abundantes en la corteza terrestre. Este tipo de células se usan en satélites artificiales, en donde su precio no es un problema.

Por otro lado, estaría la promesa de otro tipo de células más baratas, que aunque no tengan rendimientos altos compensarían por su precio. En esta categoría caerían las de polímeros y las de perovskitas. Hasta ahora el problema de estas células ha sido su bajo rendimiento y su estabilidad, que haría que su vida fuera corta.

Durante los últimos años, espoleados por la creciente necesidad de fuentes de energía alternativa, muchos investigadores han trabajado sobre estos últimos tipos de tecnología. Hoy mostramos dos ejemplos recientes de los avances que se producen en este campo.

El primero proviene de un grupo de científicos de Empa, que ha llevado la eficiencia de las células solares de polímero flexible a un nuevo límite de rendimiento. Las medidas realizadas revelaron que estas células solares poseen una eficiencia del 21,4 por ciento a la hora de convertir luz en electricidad. A modo de comparación, la mejor eficiencia de una célula solar hecha de silicio cristalino es del 26,7 por ciento.

Los detalles del logro de la investigación se presentaron en la 38 Conferencia y Exposición Europea de Energía Solar Fotovoltaica (EU PVSEC) del pasado 7 de septiembre de 2021 por Romain Carron.

Estas células solares flexibles de alta eficiencia se procesan sobre una película de polímero mediante un método de co-evaporación a baja temperatura para el crecimiento del semiconductor de película delgada de Cu(In, Ga)Se2. Shiro Nishiwaki optimizó la composición de la capa y los dopantes alcalinos para lograr una mejora del rendimiento. Luego, los investigadores estudiaron los efectos de la exposición combinada al calor y a la iluminación después del procesamiento de las células solares y encontraron un aumento en el rendimiento fotovoltaico que permanece estable después de varios meses. La eficiencia de la célula solar, que es exactamente del 21,38 por ciento, se midió de forma independiente en el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE en Friburgo, Alemania.

Ayodhya Tiwari y su equipo han estado investigando sobre células solares de película delgada flexible durante más de 22 años. Con su profundo conocimiento de la tecnología y los procesos físicos fundamentales, han logrado varios récords de eficiencia a lo largo de los años. Comenzaron con 12,8 por ciento en 1999, pasaron a 14,1 por ciento (2005), 17,6 por ciento (2010), 18,7 por ciento (2011), 20,4 por ciento (2013) y 20,8 por ciento en 2019.

Los módulos solares flexibles y livianos realizados con esta tecnología son especialmente adecuados para aplicaciones pensadas para techos y fachadas de edificios, invernaderos, vehículos de transporte y dispositivos electrónicos portátiles.

Por otro lado, en cuanto al segundo resultados, podemos recordar que las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas ya han demostrado altas eficiencias fotovoltaicas superiores al 25%. La idea predominante en el campo es que el uso de moléculas orgánicas es crucial para lograr estos rendimientos porque se cree que suprimen la recombinación de portadores (de carga eléctrica) asistida por defectos.

Sin embargo, una nueva investigación en el Departamento de Materiales de la UC Santa Bárbara ha demostrado que esta suposición es incorrecta y que los materiales totalmente inorgánicos tienen el potencial de superar a las perovskitas híbridas. Su investigación sobre perovskitas de haluro totalmente inorgánico indica que quizás sea una buena vía hacia la energía fotovoltaica barata.

«Para comparar los materiales, realizamos simulaciones completas de los mecanismos de recombinación. Cuando la luz incide sobre un material de célula solar, los portadores fotogenerados generan una corriente, la recombinación en los defectos destruye algunos de esos portadores y, por lo tanto, reduce la eficiencia. Los defectos, por lo tanto, actúan como asesinos de la eficiencia», explica Xie Zhang, investigador principal del estudio.

Para comparar perovskitas inorgánicas e híbridas, los investigadores estudiaron dos materiales prototipo. Ambos materiales contienen átomos de plomo y yodo, pero en un material la estructura cristalina se completa con el elemento inorgánico cesio, mientras que en el otro está presente la molécula orgánica de metilamonio.

Clasificar estos procesos experimentalmente es extremadamente difícil, pero los cálculos de mecánica cuántica de última generación pueden predecir con precisión las tasas de recombinación gracias a la nueva metodología que se desarrolló en el grupo del profesor de materiales de UCSB Chris Van de Walle, quien y que se basó en el trabajo de Mark Turiansky.

«Nuestros métodos son muy potentes para determinar qué defectos causan la pérdida de portadores. Es emocionante ver el enfoque aplicado a uno de los problemas críticos de nuestro tiempo. A saber, la generación eficiente de energía renovable», dice Turiansky.

La ejecución de las simulaciones mostró que los defectos comunes a ambos materiales dan lugar a niveles de recombinación comparables (y relativamente benignos). Sin embargo, la molécula orgánica de la perovskita híbrida puede romperse cuando se produce la pérdida de átomos de hidrógeno, entonces las «vacantes» resultantes disminuyen considerablemente la eficiencia. Por tanto, la presencia de la molécula orgánica, a la larga, va en detrimento del rendimiento, en lugar de ser un activo a la hora de conseguir una eficacia global alta en el material.

Entonces, ¿por qué no se ha observado esto experimentalmente? Principalmente porque es más difícil de sintetizar capas de alta calidad de materiales totalmente inorgánicos. Tienen tendencia a adoptar otras estructuras cristalinas distintas a las buscadas y promover la formación de la estructura deseada requiere de un mayor esfuerzo experimental. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que lograr la estructura preferida es definitivamente factible. Aún así, esta dificultad explica por qué las perovskitas totalmente inorgánicas no han recibido tanta atención hasta la fecha.

«Esperamos que nuestros hallazgos sobre la eficiencia esperada estimulen más actividades dirigidas a producir perovskitas inorgánicas», concluye Van de Walle.

En resumidas cuentas, las alternativas baratas al silicio están ya en los laboratorios y alcanzan ya rendimientos comparables. Un problema común a estas tecnología es el de su comercialización, una vez se ha realizado la investigación y desarrollo. Esta comercialización no es sencilla si la tecnología no está asentada.

En la actualidad hay un debate en el campo sobre si invertir dinero en la tecnología de silicio para producir energía fotovoltaica o de si esperar a que las nuevas tecnologías estén disponibles y entonces invertir el dinero. Muchos de ellos se decantan por ir instalando silicio mientras maduran las otras tecnología. Simplemente, el cambio climático no espera.

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