Las perovskitas son un material revolucionario en la industria de los paneles solares que han demostrado tener hasta un 250% más de eficiencia que los paneles de silicio.
La perovskita arrasa al silicio en eficiencia
Con la promesa de una eficiencia energética significativamente mayor, las empresas se apresuran a desarrollar la tecnología necesaria para hacer uso de las perovskitas de una manera eficiente y rentable.
Las ventajas de las perovskitas son evidentes: mayor eficiencia energética, flexibilidad de uso en diversos entornos y coste de producción relativamente bajo.
Estas características las hacen ideales para los mercados de placas solares residenciales, comerciales e industriales; además, son fácilmente actualizables, por lo que pueden mejorarse rápidamente para seguir el ritmo de los avances tecnológicos.
Un reciente proyecto de investigación llevado a cabo en la Universidad de Rochester ha demostrado que las perovskitas pueden mejorar la eficiencia energética de los paneles solares hasta en un 250% mediante el uso de sustratos metálicos y dieléctricos.
Las perovskitas son básicamente una familia de materiales con una estructura cristalina muy prometedora como sustituto del silicio en células solares y detectores, debido a su menor coste y similar eficiencia.
Pero ahora, gracias a una investigación dirigida por Chunlei Guo, profesor de Óptica de la Universidad de Rochester, se ha demostrado que la eficiencia de conversión de luz de las perovskitas también puede aumentar hasta un 250% utilizando sustratos metálicos y dieléctricos.
Tradicionalmente, las perovskitas se han sintetizado en un laboratorio húmedo y se han aplicado como película sobre un sustrato de vidrio para su posterior uso en diversas aplicaciones.
Sin embargo, Guo ha propuesto un enfoque innovador basado en la física que ha permitido aumentar considerablemente la eficiencia de las perovskitas. Utilizando un sustrato de una capa metálica o capas alternas de metal y material dieléctrico en lugar de vidrio, los investigadores han conseguido cambiar por completo la interacción de los electrones dentro de las perovskitas, aumentando significativamente su eficiencia de conversión de la luz.
Según el profesor Guo, «nadie más ha llegado a esta observación en las perovskitas. De repente, podemos poner una plataforma metálica bajo una perovskita, cambiando completamente la interacción de los electrones dentro de la perovskita. Así que utilizamos un método físico para diseñar esa interacción».
La nueva combinación de perovskita y metal crea «una física asombrosa», ya que los metales, pese a ser los materiales más simples de la naturaleza, pueden adoptar funciones complejas.
De hecho, el laboratorio de Guo ha sido pionero en diversas tecnologías que transforman metales sencillos en materiales superhidrofóbicos, superhidrofílicos y absorbentes solares, entre otros. En una célula solar, los fotones de la luz solar deben interactuar con los electrones y excitarlos para generar una corriente eléctrica.
La recombinación de electrones es esencial para detener la corriente eléctrica, por lo que la célula solar debe utilizar materiales que sean débiles para atraer a los electrones excitados de vuelta a los núcleos atómicos.
Sus hallazgos se informan en Nature Photonics
Los investigadores demostraron que esta recombinación podía evitarse sustancialmente combinando un material de perovskita con una capa metálica o sustrato metamaterial consistente en capas alternas de plata y óxido de aluminio.
Con todo ello, la investigación dirigida por el profesor Guo y su equipo ha demostrado que las perovskitas pueden aumentar significativamente su eficiencia de conversión de la luz utilizando sustratos metálicos y dieléctricos.
Esta nueva técnica puede ser especialmente útil en la captación de energía solar en el futuro: con un aumento del 250% en la eficiencia de conversión de la luz, las perovskitas se perfilan como una alternativa muy prometedora y rentable al silicio en las células solares.
Sin embargo, es necesario seguir investigando para comprender plenamente la física que subyace a la interacción entre las perovskitas y los sustratos metálicos y dieléctricos, pero los resultados del estudio de Guo y su equipo ofrecen una vía prometedora para mejorar la eficiencia de las células solares y otros dispositivos electrónicos basados en perovskitas.
Además, este enfoque puede ofrecer una alternativa mucho más barata y sencilla para producir perovskitas de alta calidad, lo que podría tener importantes implicaciones para las energías limpias y renovables.
Una nueva combinación de perovskita y metal crea «una física sorprendente».
Los metales son probablemente los materiales más simples de la naturaleza, pero se puede hacer que adquieran funciones complejas. El laboratorio Guo tiene una amplia experiencia en este campo. El laboratorio ha sido pionero en una serie de tecnologías que transforman metales simples en negros como el carbón, superhidrofílicos (que atraen el agua) o superhidrofóbicos (que la repelen).
En sus estudios recientes, los metales mejorados se han utilizado para la absorción de energía solar y la purificación del agua.
En este nuevo trabajo, en lugar de presentar una forma de mejorar el propio metal, el laboratorio de Guo demuestra cómo utilizar el metal para mejorar la eficacia de los pervoskites.
«Un trozo de metal puede hacer tanto trabajo como una compleja ingeniería química en un laboratorio húmedo», afirma Guo, y añade que «la nueva investigación puede ser especialmente útil para la futura captación de energía solar».
En una célula solar, los fotones de la luz solar tienen que interactuar con los electrones y excitarlos, haciendo que éstos abandonen sus núcleos atómicos y generen una corriente eléctrica, explicó Guo. Lo ideal sería que la célula solar utilizara materiales débiles para atraer a los electrones excitados de vuelta a los núcleos atómicos y detener la corriente eléctrica.
El laboratorio de Guo demostró que esa recombinación podía evitarse sustancialmente combinando un material de perovskita con una capa de metal o un sustrato metamaterial formado por capas alternas de plata, un metal noble, y óxido de aluminio, un dieléctrico.
El resultado fue una reducción significativa de la recombinación de electrones a través de «un montón de física sorprendente», explica Guo.
En efecto, la capa metálica actúa como un espejo que crea imágenes invertidas de los pares electrón-hueco, debilitando la capacidad de los electrones para recombinarse con los huecos.
El laboratorio pudo utilizar un detector sencillo para observar el aumento resultante del 250% en la eficiencia de conversión de la luz.
Antes de que las perovskitas puedan aplicarse en la práctica, hay que resolver varios problemas, sobre todo su tendencia a degradarse con relativa rapidez. Actualmente, los investigadores se apresuran a encontrar nuevos materiales de perovskita más estables.
«A medida que surjan nuevas perovskitas, podremos utilizar nuestro método basado en la física para mejorar aún más su rendimiento», afirma Guo.
Entre los coautores se encuentran Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang y Mohamed Elkabbash, todos ellos miembros actuales y anteriores del laboratorio de Guo, y Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang y Weili Yu, todos ellos del Instituto Changchun de Óptica, Mecánica Fina y Física de China.
Esta noticia seguramente hará que algunos se den de bruces contra el suelo. Seguro que se ponen en marcha rápidamente muchas réplicas. Entonces se volverán a probar todas las formulaciones de perovskita.
Quizás la gran formulación de perovskita ya esté a mano. A medida que esta investigación se ponga a prueba y se reproduzca, deberíamos darnos cuenta de que se trata de un gran avance.
Sea como fuere, hay que felicitar a este equipo por la intuición que ha demostrado a la hora de elaborar los resultados tan esperanzadores.
