Los secretos de la perovskita 

Soporte de vidrio con cuatro células solares de perovskita. Dirk Mahler / Fraunhofer ISE

La mayor fuente de energía limpia e inagotable de la que disponemos es el Sol. Para captarla, empleamos placas fotovoltaicas capaces de transformarla en electricidad. Pero el verdadero secreto de esa extraordinaria transformación está en los materiales que componen los paneles.

Entre ellos, el más popular es el silicio. Se trata de un material semiconductor que absorbe fotones –partículas de luz– de la radiación solar. Una vez absorbidos, producen cargas eléctricas (huecos o ausencia de electrones y electrones) que son extraídas en las células solares obteniendo electricidad con una muy alta eficiencia.

Sin embargo, el silicio no es el único material capaz de realizar este proceso. En la actualidad contamos con varias alternativas, ya establecidas o emergentes, que no tienen nada que envidiarle.

Materiales de tercera generación

Estas tecnologías están divididas en tres generaciones.

La primera generación se centra en el silicio cristalino, la segunda se divide en silicio multicristalino, calcogenuros –como telururo de cadmio (CdTe) o cobre indio galio selenio (CIGS)– y en materiales compuestos formados por elementos de los grupos III-V, como arseniuro de galio (GaAs).

La primera y segunda tecnologías están ya implantadas en edificios, granjas fotovoltaicas o incluso en tecnología aeroespacial.

La tercera generación –y la menos conocida– está formada por materiales emergentes como son las células solares sensibilizadas por colorante, las células solares orgánicas y, por último, la células de perovskita, cuyo uso todavía no está extendido.

Más eficiente que el silicio

Para comparar tecnologías fotovoltaicas debemos fijarnos en la eficiencia de conversión. Este término se refiere a la relación entre la producción de energía del dispositivo y la energía de radiación solar que entra. Sus valores se utilizan para comparar el rendimiento entre células solares y entre tecnologías fotovoltaicas.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos compara gráficamente las eficiencias certificadas más altas en cada tipo de células solares.

Gráfica de la eficiencia de diferentes materiales.
NREL

Si analizamos cuidadosamente la gráfica anterior, vemos que las células solares de perovskita han alcanzado un 25,7 % de eficiencia, superando el rendimiento de las células solares comerciales de silicio multicristalino (23,3 % eficiencia).

Las perovskitas, tras tan solo 15 años de su primer uso en células solares en 2009, cuando obtenía tan solo un 3,8 % de eficiencia, han conseguido ser la tecnología fotovoltaica más prometedora de entre todas las tecnologías emergentes y comerciales.

¿Qué tiene de especial la perovskita?

Vamos a ver qué es el material perovskita, sus características y sus particularidades.

Perovskita.
Robert M. Lavinsky / Wikimedia Commons, CC BY-SA

El término perovskita está ligado al descubrimiento en el siglo XIX del mineral trióxido de titanio y calcio (CaTiO₃), cuya estructura cristalina es una red tridimensional formada por la combinación de elementos de la forma ABX₃. A esta estructura se le llamó perovskita en homenaje al minerólogo Lev Alekseyevich von Perovski y a partir de entonces, a todos los materiales con esta estructura cristalina se les denominan con ese nombre.

Hay diversas familias con esta estructura cristalina, por ejemplo basada en óxidos o haluros. Los materiales de esta última familia (haluros) son los más prometedores para la absorción eficiente de la energía solar. Concretamente, son materiales híbridos orgánicos-inorgánicos, formados por la combinación de:

A: metilamonio, formamidinio o cesio.

B: un metal como plomo, estaño.

X: un haluro como cloro, bromo o iodo.

Estos materiales híbridos presentan unas fascinantes propiedades a nivel óptico y eléctrico, como una absorción altamente eficiente de luz ultravioleta y visible, rápida disociación de los excitones –par hueco-electrón creado en un semiconductor tras la absorción de fotones de luz– en cargas libres debido a su baja energía de enlace de excitones, y por último, una alta longitud de difusión de estas cargas libres para poder ser extraídas en el dispositivo fotovoltaico.

Además, modificando la composición en A, B y/o X con compuestos químicos puros o combinaciones podemos modular a voluntad las propiedades eléctricas de este material (las bandas de energía y su correspondiente banda prohibida) íntimamente relacionado con las propiedades ópticas del material modulando la fracción de la radiación incidente que va a absorber.

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¿Cómo se fabrican estos materiales?

Existen múltiples maneras de fabricar las perovskitas por disolución de los precursores o de evaporación térmica de los mismos en vacío, y con técnicas de laboratorio o industriales.

El spin-coating es una técnica de laboratorio que consiste en añadir una pequeña cantidad de líquido a un sustrato. Se crea la capa fina mediante rotación eliminando el exceso de líquido por centrifugación.

El roll to roll (R2R) es un proceso industrial en el que los sustratos son rollos continuos donde se imprime la capa fina mediante una imprenta rotativa, técnica ampliamente utilizada en la impresión de periódicos o folletos.

Este material no requiere de tratamientos térmicos a alta temperatura, por lo que pueden fabricarse células solares flexibles o en tejidos. También posee un alto rendimiento aun manteniendo cierta transparencia, ideal para su posible instalación en ventanas. Además, el bajo coste de los precursores necesarios para producirlo es otro aliciente para el desarrollo de esta nueva tecnología fotovoltaica.

Entonces, ¿cuándo podremos disfrutar de las maravillosas propiedades de la perovskita en nuestro día a día? Aún quedan algunos aspectos por mejorar, como la presencia de plomo y su estabilidad.

El plomo es esencial para alcanzar la deseada alta eficiencia y su cantidad es mínima en el dispositivo. En la actualidad, se están desarrollando otros materiales de perovskita alternativos con elementos como el estaño sustituyendo al plomo.

Por último, el problema de estabilidad puede solucionarse utilizando técnicas de encapsulación en las que el uso de un agente encapsulante (por ejemplo, la combinación de una resina epoxi y vidrio) va a impedir la entrada de humedad y por tanto su degradación.

María Cristina Momblona Rincón recibe fondos de: ayuda IJC2020-044684-I financiada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y
por la “Unión Europea NextGenerationEU/PRTR”.