En un espacio de tiempo relativamente corto, las células solares de perovskita se han convertido en un candidato muy prometedor en lo que respecta a la forma de generar electricidad en el futuro, pero primero hay que superar algunos problemas de diseño.
Estos problemas están relacionados en gran medida con la estabilidad de las células solares de perovskita, que se deterioran rápidamente durante su uso, pero los científicos de la Universidad de Brown han ideado una forma de resolverlo, apuntando a un punto débil con algo que llaman pegamento molecular.
En la última década, los científicos han observado mejoras constantes en el rendimiento de las células solares de perovskita, cuyo diseño alternativo rivaliza ahora con la eficiencia de las células solares de silicio convencionales.
Las células solares de silicio también requieren equipos caros y altas temperaturas para su producción, mientras que las de perovskita pueden fabricarse de forma comparativamente barata y a temperatura ambiente, y reciclarse más fácilmente después de su uso. Estos factores se combinan con su excelente potencial de absorción de luz para convertirlas en una propuesta prometedora.
Como están hechas de materiales diferentes, los cambios de temperatura pueden hacer que estas capas se expandan o se contraigan a ritmos diferentes, lo que provoca tensiones mecánicas que hacen que se desacoplen.
Los científicos de la Universidad de Brown se han centrado en lo que dicen que es la interfaz más problemática entre estas capas, donde la película de perovskita que absorbe la luz se encuentra con la capa de transporte de electrones, que gestiona la corriente que fluye a través de la célula.
“Una cadena es tan fuerte al igual que su eslabón más débil, e identificamos esta interfaz como la parte más débil de todo el conjunto, donde es más probable que se produzcan fallos”, afirma el autor principal del estudio, Nitin Padture. “Si conseguimos reforzarlo, podremos empezar a mejorar realmente la fiabilidad”.
En su anterior trabajo como científico de materiales, Padture había desarrollado novedosos revestimientos cerámicos para su uso en entornos de alto rendimiento como los motores de los aviones. A partir de ahí, él y los autores del estudio empezaron a investigar cómo los compuestos llamados monocapas autoensambladas (self-assembled monolayers, SAM, por sus siglas en inglés) podrían ayudarles a resolver los problemas de estabilidad que afectan a las células solares de perovskita.
“Se trata de una gran clase de compuestos”, explica Padture. “Cuando se depositan en una superficie, las moléculas se ensamblan en una sola capa y se levantan como si fueran pequeños pelos. Utilizando la formulación adecuada, se pueden formar fuertes enlaces entre estos compuestos y todo tipo de superficies diferentes”.
Estas sustancias (SAM) se pueden aplicar a las células mediante un proceso de recubrimiento por inmersión a temperatura ambiente, y el equipo descubrió que una receta en particular resultaba especialmente prometedora. Utilizando SAMs hechas de átomos de silicio y yodo, los científicos fueron capaces de formar fuertes enlaces entre la película de perovskita que absorbe la luz y la capa de transporte de electrones.
“Cuando introdujimos las SAM en la interfaz, descubrimos que aumentaba la resistencia a la fractura de la interfaz en aproximadamente un 50 por ciento, lo que significa que cualquier grieta que se forme en la interfaz tiende a no propagarse muy lejos”, dijo Padture. “Así que, en efecto, las SAM se convierten en una especie de pegamento molecular que mantiene unidas las dos capas”.
En las pruebas realizadas, el equipo descubrió que este método mejoraba sustancialmente la longevidad de las células solares de perovskita, que conservaban el 80% de su eficiencia máxima tras unas 1.300 horas de uso. En comparación con las células que no son de silicio, que sólo duran unas 700 horas, el equipo prevé que su nuevo diseño podría funcionar a este nivel durante unas 4.000 horas. Las células de silicio suelen ofrecer este tipo de rendimiento durante 25 años, por lo que queda mucho trabajo por hacer, pero los indicios son prometedores.
“Otra de las cosas que hicimos, que la gente no suele hacer, es que rompimos las células después de las pruebas”, explica Zhenghong Dai, primer autor de la investigación.
“En las células de control sin los SAM, vimos todo tipo de daños, como huecos y grietas. Pero con las SAM, las interfaces endurecidas tenían muy buen aspecto. Fue una mejora espectacular que nos sorprendió”.
Los investigadores afirman que la adición de las SAM no compromete la eficacia de la célula solar, sino que la mejora ligeramente al eliminar los pequeños defectos que se formarían normalmente al unir las dos capas. Esperan aprovechar estos prometedores resultados aplicando la técnica a las interfaces entre las demás capas de las células solares de perovskita, para mejorar aún más la estabilidad.
“Este es el tipo de investigación que se necesita para fabricar células baratas, eficientes y que funcionen bien durante décadas”, afirma Padture.
Noticia tomada de: New Atlas / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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