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Cambio Climático

El arduo viaje de la perovskita para conquistar la energía solar

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El prometedor material, capaz de producir células ligeras, baratas y flexibles, lleva años luchando por mejorar capacidades como su estabilidad y su eficiencia a escala para desbancar al omnipresente silicio. Aunque sigue mejorando poco a poco, su nicho de mercado podría estar simplemente allí donde el silicio no encaja

  • por Casey Crownhart | traducido por Ana Milutinovic
  • 05 Julio, 2021

Probar las células solares de perovskita en un laboratorio solía requerir un par de buenas zapatillas para correr. Los materiales se deshacían tan rápidamente que los científicos salían disparados desde donde hacían las células hasta donde las probaban, intentando medir su rendimiento antes de que las células se degradaran en sus manos, lo que en general era cuestión de un par de minutos.

Las perovskitas llevan mucho tiempo enamorando a los investigadores con la promesa de producir células solares económicas y ultraeficientes. Varias empresas están dando grandes pasos hacia la producción de células solares comerciales de perovskita a gran escala.

Pero, desde su inicio, la inestabilidad de ese material ha amenazado con descarrilar su camino hacia los tejados y las centrales eléctricas. Aunque algunas empresas afirman haber resuelto el desafío, al menos lo suficientemente bien para llevar productos preliminares al mercado dentro de un año, algunos investigadores aún se muestran escépticos.

El director del programa de investigación de perovskita en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE. UU., Joseph Berry, admite: "La gente quiere que diga: 'Sé con certeza que será estable, eficiente y que conquistaremos el mundo'. Una parte de mí sí lo cree, pero otra, la científica, dice: 'No tengo los datos'".

Tomando el sol

La perovskita es un material sintético, económico y relativamente simple de producir incluso en grandes cantidades. Las perovskitas comunes que se usan en energía fotovoltaica son típicamente haluros de plomo de metilamonio, pero la familia de las perovskitas se compone de miles de materiales que comparten la misma estructura cristalina. Recubiertos sobre una base flexible, pueden producir células solares de película delgada, ligeras y flexibles.

A pesar de que en las últimas décadas han surgido varios materiales fotovoltaicos nuevos, ninguno ha hecho mella en el mercado, dominado por el silicio, que se encuentra en alrededor del 95 % de las células solares existentes.

Algunas empresas de perovskita, como Saule Technologies de Varsovia (Polonia), intentan dejar atrás el silicio por completo. Fundada en 2014, Saule desarrolló un proceso de impresión por chorro de tinta para fabricar células solares de perovskita envueltas en un plástico flexible. Un panel que contiene las células de Saule pesa aproximadamente una décima parte del peso de un panel de silicio del mismo tamaño.

En mayo, Saule abrió una fábrica que puede producir alrededor de 40.000 metros cuadrados de paneles al año, suficiente para generar alrededor de 10 megavatios de energía (algunas fábricas de células de silicio son cientos de veces más grandes).

Aunque las perovskitas tienen el potencial de alcanzar altas eficiencias (el récord mundial para una célula de solo perovskita supera ligeramente el 25 %), la mayoría de las células de perovskita de mejor rendimiento en la actualidad son pequeñas, de 2,5 centímetros de ancho.

Fabricar a escala dificulta alcanzar los límites de la posible eficiencia. En este momento, los paneles de Saule, de un metro de ancho, llegan a alrededor del 10 % de rendimiento. Esto es muy poco comparado con los paneles de silicio comerciales de tamaño similar, que generalmente alcanzan una eficiencia de alrededor del 20 %.

La fundadora y directora de Tecnología de Saule, Olga Malinkiewicz, asegura que el objetivo de la empresa era producir una célula solar exclusivamente de perovskita, y ese menor rendimiento no importaría si resultaba lo suficientemente barata.

Saule intenta llegar donde los paneles solares de silicio no pueden: a los techos que no son capaces de soportar el peso de los pesados paneles revestidos de vidrio, o a otros usos más especializados, como las persianas solares, que la empresa está probando actualmente.

Mientras Saule lanza productos de película delgada para esos usos más específicos, otras empresas esperan superar, o al menos unirse al silicio en su propio terreno. Oxford PV, con sede en Reino Unido, incorpora perovskitas en células combinadas de perovskita y silicio.

Dado que el silicio absorbe la luz hacia el extremo rojo del espectro visible, y las perovskitas pueden ajustarse para absorber diferentes longitudes de onda. Recubrir las células de silicio con una capa de perovskita permite que las células combinadas alcancen una mayor eficiencia que las de solo silicio.

Las células combinadas de Oxford PV son pesadas y rígidas, como las células de solo silicio. Pero como son del mismo tamaño y forma, pueden encajar fácilmente en los paneles de techo o en las granjas solares.

Foto: Oxford PV combina perovskita y silicio para crear células solares de gran rendimiento. Créditos: OXFORD PV

El director de Tecnología de Oxford PV, Chris Case, explica que la empresa se centra en reducir el coste nivelado de la electricidad, una métrica que incluye los costes de instalación y la vida operativa de un sistema. Si bien colocar capas de perovskitas sobre silicio aumenta el precio de fabricación, el coste nivelado de la célula combinada con el tiempo debería ser inferior al del silicio porque estas nuevas células son más eficientes. Oxford ha establecido varios récords mundiales en rendimiento para este tipo de células en los últimos años, el más reciente alcanzó el 29,5 %.

La empresa de perovskita con sede en Hangzhou (China), Microquanta Semiconductor, también toma como referencia los criterios de las células solares de silicio. Fabrica paneles de células rígidas revestidas de vidrio hechas con perovskitas.

La fábrica piloto de Microquanta abrió en 2020 y, según el director de Tecnología de la empresa, Buyi Yan, debería alcanzar los 100 megavatios de capacidad al final de este año. La empresa tiene paneles de demostración instalados en varios edificios y granjas solares en toda China.

El problema de la estabilidad

La estabilidad de las perovskitas mejoró de solo unos minutos a varios meses en pocos años. Pero la mayoría de las células de silicio instaladas hoy en día tienen una garantía de alrededor de 25 años, y ese objetivo las perovskitas aún no pueden alcanzar.

Las perovskitas son especialmente sensibles al oxígeno y a la humedad, que pueden interferir con las uniones en el cristal, impidiendo que los electrones se muevan eficazmente a través del material. Los investigadores han estado trabajando para mejorar la vida útil de las perovskitas, desarrollando fórmulas menos reactivas y encontrando mejores formas de empaquetarlas.

Oxford PV, Microquanta y Saule afirman haber resuelto el problema de la estabilidad, al menos lo suficientemente como para poder vender sus primeros productos.

La estimación del rendimiento a largo plazo de las células solares se suele realizar mediante pruebas aceleradas, poniendo las células o los paneles en condiciones muy estresantes para simular años de desgaste. El conjunto de pruebas más común para las células de silicio para exteriores es una serie denominada IEC 61215.

Oxford y Microquanta han pasado las pruebas de esta serie relacionadas con el rendimiento de la célula solar. Saule ha pasado algunas de las pruebas, pero todavía está trabajando en otras, como la de la humedad, según Malinkiewicz.

Pasar todas las pruebas de la serie 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 los nuevos materiales como las perovskitas.

Oxford PV examinó algunos de los miles de compuestos de la familia de las perovskitas para encontrar las fórmulas más estables. La empresa no quiso revelar los detalles sobre el rendimiento, aunque Case resalta que esperan "absolutamente" que sus productos tengan una vida operativa similar a la de las células de silicio. La empresa instaló en diciembre de 2019 sus paneles de prueba en un techo en Europa central, y Case afirma que, hasta ahora, los paneles que contienen sus células con capas de perovskita muestran la misma degradación que los paneles de silicio comerciales que instalaron para realizar la comparación.

Yan asegura que Microquanta en febrero de 2020 instaló sus células de prueba al aire libre y que todavía alcanzan la misma potencia máxima que cuando se instalaron.

Foto: Microquanta está probando sus paneles solares en edificios y granjas solares en toda China. Créditos: Microquanta Semiconductor

Para mejorar la estabilidad de sus productos, Saule realizó cambios en los contactos metálicos de la célula, así como en la capa de perovskita. La primera generación de células de perovskita revestidas de plástico de Saule tendrá una garantía de rendimiento mínima de 10 años, según Malinkiewicz. Aunque las células de silicio duran más, espera que el precio más bajo y la facilidad de instalación convenzan a los clientes a aceptar una vida operativa más corta.

Algunos investigadores no están convencidos de estas afirmaciones. El investigador de perovskita de la Universidad Purdue en Indiana (EE. UU.) Letian Dou afirma: "Los problemas de estabilidad, hasta donde yo sé, no se han abordado muy bien". Cree que es difícil saber qué hacen estas empresas, ya que mantienen en secreto sus desarrollos del material, aunque cree que pasar las pruebas externas como la IEC 61215 resulta prometedor.

El laboratorio de Dou es uno de los varios seleccionados recientemente para recibir fondos del Departamento de Energía de EE. UU. para intentar resolver algunos de los problemas restantes de la tecnología. En marzo de 2021, el departamento anunció 33,78 millones de euros en subvenciones para apoyar la investigación de perovskitas, principalmente para proyectos centrados en mejorar la estabilidad de estos materiales y que facilitarían más su fabricación.

Aunque las células de perovskita están recibiendo más financiación y atención, solo el tiempo dirá si pueden competir o coexistir con el silicio. Aun así, los investigadores se muestran optimistas sobre la posibilidad de que entreguen energía solar más barata y accesible. "Todas Las señales son buenas", subraya Berry del Laboratorio Nacional de Energía Renovable.

Incluso después de años de investigación, las empresas que trabajan en este campo aún tendrán que aceptar cierta incertidumbre, añade Berry, y concluye: "Si quieren estar a la vanguardia, tendrán que vivir con cierto riesgo".

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