Perovskita

May 20, 2023

Las células solares de silicio se están acercando a su límite de eficiencia teórica del 29,4 por ciento. Pero el año pasado los científicos revelaron que crearon células solares en tándem que por primera vez superaron el umbral de eficiencia del 30 por ciento. Ahora no sólo revelan cómo lo hicieron, sino que otro equipo también dice que han batido este récord utilizando un enfoque diferente.

Las células solares más comunes utilizan silicio para absorber la luz. Las modernas células solares comerciales de silicio alcanzan ahora eficiencias de más del 24 por ciento, y la mejor célula de laboratorio tiene una eficiencia del 26,8 por ciento.

Una forma de aumentar la eficiencia de una célula solar es apilar dos materiales diferentes que absorban la luz en un solo dispositivo. Este enfoque en tándem aumenta el espectro de luz solar que la célula solar puede captar.

"Los aspectos de estabilidad y escalabilidad ahora deberían ser un foco central".

Cada vez más, los científicos investigan el uso de perovskitas en células solares en tándem, ya que estos cristales son económicos y fáciles de producir en laboratorios. Un enfoque común es utilizar una celda superior hecha de perovskitas para absorber luz visible de mayor energía y una celda inferior hecha de silicio para rayos infrarrojos de menor energía.

En 2022, un equipo de investigadores alemanes reveló cómo desarrollaron una célula solar en tándem de perovskita y silicio con una eficiencia del 29,8 por ciento, mientras que un grupo separado del Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología en Neuchâtel, Suiza, y sus colaboradores establecieron un nuevo récord. del 31,25 por ciento.

"Es la primera vez que una tecnología con una arquitectura compatible con la producción en masa alcanza una eficiencia superior al 30 por ciento", afirma Quentin Jeangros, científico de materiales del Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología.

Ahora los investigadores de Neuchâtel y sus colegas revelaron cómo construyeron su dispositivo, mientras que los científicos de Berlín y sus colaboradores dieron a conocer una nueva célula solar en tándem con una eficiencia de hasta el 32,5 por ciento.

El grupo de Neuchâtel reveló que su dispositivo consistía en una celda superior de perovskita sobre una celda inferior de silicio con pirámides de unos pocos micrómetros de altura. El uso de una superficie texturizada en lugar de una plana mejoró la capacidad de atrapar la luz de la superficie.

Esta imagen de microscopía electrónica de la parte frontal de las células solares en tándem de perovskita sobre silicio de alta eficiencia revela una superficie texturizada y una capa de fullereno de carbono 60, las cuales ayudaron a maximizar la captura de luz y prevenir la pérdida de carga. Quentin Jeangros y Chin Yu Xin/CSEM

Este grupo utilizó un método de dos pasos para depositar la perovskita. Primero utilizaron la evaporación térmica para colocar una plantilla inorgánica en la celda inferior de silicio cubierta por la pirámide. Luego utilizaron una solución para cristalizar este andamio en perovskita. Esto ayudó a garantizar que la perovskita también formara pirámides para captar la luz.

Un problema clave al que se han enfrentado las células solares en tándem de perovskita-silicio es evitar la pérdida de carga de los electrones cargados negativamente y los agujeros cargados positivamente que se recombinan en la célula superior de perovskita después de que la luz ayuda a separar estas cargas. Una estrategia que emplearon los equipos de Neuchâtel y Berlín para superar este problema fue colocar una capa de fullereno de carbono 60 que pueda extraer electrones de la perovskita de manera eficiente.

Sin embargo, en los defectos de la superficie de la perovskita, los electrones y los huecos podrían recombinarse. El grupo de Neuchâtel evitó esto utilizando aditivos de ácido fosfónico durante la cristalización de las células de perovskita que ayudaron a prevenir la formación de estos defectos.

"Estos resultados muestran que la tecnología está lista para avanzar a la siguiente etapa de su desarrollo, lo que significa que los aspectos de estabilidad y escalabilidad ahora deberían ser el foco central", dice Xin Yu Chin, científico de materiales del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana. Laboratorio de energía fotovoltaica en Neuchâtel.

Utilizando un enfoque diferente, el equipo de Berlín se basó en un líquido iónico conocido como yoduro de piperazinio. El fluido es una sal formada por cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. Esto le permitió modificar los defectos superficiales positivos y negativos de la perovskita para reducir la recombinación.

Ambos récords fueron superados por científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) en Arabia Saudita, que desarrollaron células en tándem de perovskita-silicio con una eficiencia del 33,2 por ciento en abril y del 33,7 por ciento en mayo. En última instancia, "creemos que el 35 por ciento es un objetivo alcanzable", dice Jeangros.

El grupo Neuchâtel se centra ahora en desarrollar métodos de procesamiento aplicables industrialmente para aumentar la producción y mejorar la estabilidad operativa de estos dispositivos. "Es probable que la tecnología todavía necesite de 5 a 10 años para llegar al mercado", afirma Chin.

Los científicos detallaron sus hallazgos el 6 de julio en dos estudios en la revista Science.