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El crecimiento controlado de minerales favorece la producción solar

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La eficiencia de la perovskita en las placas solares aumenta con su tamaño

  • por Katherine Bourzac | traducido por Francisco Reyes
  • 02 Septiembre, 2014

Una nueva forma de controlar el crecimiento de unos materiales cristalinos conocidos como perovskitas podría dar lugar a células solares comerciales de alto rendimiento y bajo coste. Aunque las células de perovskita individuales han logrado resultados prometedores en el laboratorio, hasta ahora no ha estado claro cómo podrían fabricarse en grupos homogéneos.

Algunas perovskitas son muy eficientes en la captura de energía procedente de la luz solar ya que tienen un alto grado de absorción tanto de la luz visible como de la infrarroja. Y a diferencia de las películas de silicio, que se fabrican a altas temperaturas, las películas de perovskita se pueden fabricar a partir de una solución a temperaturas mucho más bajas. Debería ser posible fabricar células solares de perovskita utilizando métodos de bajo coste y baja energía como la impresión.

Las primeras células de perovskita se fabricaron en 2009, y las mejores ya logran convertir el 17,9% de la energía de la luz solar en electricidad. Esto está empezando a ser competitivo en comparación con células de película delgada comerciales como las de teluro de cadmio y silicio, afirma el químico de la Universidad de Saskatchewan en Saskatoon (Canadá) Timothy Kelly.

Sin embargo, fabricar células solares de perovskita de alta calidad de forma consistente ha demostrado ser difícil. En los grupos fabricados hasta el momento existe una gran variación en el grado de eficacia con que las células individuales pueden convertir la luz en electricidad. "Cuando creas 10 células de perovskita distintas, obtienes 10 eficiencias diferentes", señala el químico de la Universidad de Notre Dame en Indiana (EEUU), Prashant Kamat. "Resulta frustrante".

El problema está causado por la variación en el tamaño de los cristales en las distintas células. Para los electrones en una célula solar, los límites entre los cristales son como paredes, por lo que los más grandes ofrecen menos impedimentos para el flujo de electricidad. Una solución a este problema podría provenir de una nueva investigación publicada este domingo en la revista Nature Nanotechnology, que muestra una forma de controlar el crecimiento de los cristales de perovskita.

Entre la lista de ingredientes de la perovskita que se está desarrollando para las células solares encontramos un hidrocarburo, amoniaco, plomo y yodo. Existen muchas perovskitas—el nombre hace referencia a la estructura cristalina de estos materiales—pero ésta en particular es más prometedora para su uso en células solares. Los cristales se crean en un proceso de dos etapas que comienza con el recubrimiento de una superficie con una solución de yoduro de plomo, para después dejar que se seque. Después la superficie se recubre con una solución de yoduro de metil amonio. Mientras se seca, los compuestos de las dos capas se unen para formar cristales de perovskita.

El químico de la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (Suiza) Michael Grätzel, y el químico de la Universidad de Sungkyunkwan (Corea del Sur) Nam-Gyu Park, han elaborado una receta para hacerse con el control del proceso. Han encontrado que al controlar cuidadosamente las concentraciones de las soluciones de partida, así como otras condiciones de procesamiento, consistentemente pueden crear películas de perovskita con cristales más grandes, algo necesario para fabricar células solares eficientes.

El grupo suizo y el coreano utilizan estos métodos para crear células solares de perovskita con una eficiencia media del 16,4% y muy poca variación en la eficiencia entre las distintas células.

Park asegura que ahora que es posible crear perovskita de alta calidad de forma fiable, es momento de hacer frente a otros problemas relacionados con el material. Uno de ellos es que la humedad hace que los materiales se descompongan y se produzcan fugas de metil amonio. Park señala que los investigadores tienen que encontrar una forma de sellar las células solares de perovskita frente a la humedad atmosférica o encontrar nuevas versiones de los materiales. Otro problema es que los materiales se fabrican usando plomo, que resulta tóxico.

"Después de haber aprendido de estos materiales debemos pasar a otros, porque el plomo no es ambientalmente benigno y este material no es estable", afirma el químico de la Universidad de Northwestern en Illinois (EEUU), Mercouri Kanatzidis. Junto al científico de materiales de Northwestern, Robert Chang, ha estado desarrollando una perovskita con estaño en vez de plomo. Actualmente sólo convierte la luz en energía eléctrica con una eficiencia del 6%. Pero son optimistas y recuerdan que los materiales a base de plomo mejoraron rápidamente desde un 3% en 2009 a alrededor del 18% actual.

Mientras tanto, Grätzel cree que los materiales existentes todavía no han llegado a sus límites superiores de rendimiento. "Creo que debería ser posible alcanzar un 20% de eficiencia a corto plazo", afirma.

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