Científicos le Dicen “Adiós” al Silicio

El silicio domina el mundo de la energía solar. Inclusive los diseños más nuevos de celdas solares, los dispositivos tándem tienen una celda solar de silicio debajo de otra hecha de un material cristalino llamado perovskita. Ahora, los investigadores están eliminando el silicio, creando tándems de dos de las mejores perovskitas, cada una diseñada para absorber una parte diferente del espectro solar. Debido a que las perovskitas son más fáciles de fabricar que las celdas de silicio, el avance podría llevar a una energía solar menos costosa.

“La alta eficiencia de estas celdas solares de perovskita en tándem, es un avance importante en la energía fotovoltaica y es probable que conduzca a nuevas innovaciones”, comentó Prashant Kamat, químico de la Universidad de Notre Dame en South Bend, Indiana, quien a pesar de no estar involucrado en la investigación, dio su punto de vista.

Las celdas solares de silicio ya han tenido un impacto considerable en los mercados de energía. Las mejoras en tecnología y fabricación han reducido el precio de éstas en un 88% en la última década, según un análisis reciente de Lazard, una firma de análisis financiero global. Eso ha provocado, durante el mismo período, un aumento de más de 30 veces el despliegue de energía solar en todo el mundo a más de 30 mil millones de vatios, o 30 gigavatios, de capacidad instalada, suficiente para alimentar al menos a 3.7 millones de hogares.

Las celdas solares de perovskita pretenden construir sobre estas tendencias. Estos materiales cristalinos, típicamente hechos de plomo, yodo, bromo y otros elementos abundantes, son baratos de fabricar; a diferencia del silicio, son fáciles de procesar en capas que absorben la luz solar. Su eficiencia en la conversión de la luz solar en electricidad también se ha elevado hasta cerca del nivel de las mejores celdas solares de silicio: de solo el 3.8% a más del 24% en la última década.

Las perovskitas también son mejores que el silicio para absorber fotones azules de alta energía de luz solar. Eso ha llevado a numerosos grupos de investigación y compañías a casarse con los dos, superando a las celdas de silicio convencionales, que son mejores para atrapar fotones de baja energía de color amarillo, rojo e infrarrojo cercano, con células de perovskita semitransparentes para duplicar la producción de energía. Un tándem de este tipo, creado por la startup Oxford PV en el Reino Unido, puede alcanzar un 28% de eficiencia solar a eléctrica.

Pero acabar con el silicio por completo se requiere replicar la capacidad de captación de luz de baja energía del silicio. Una estrategia es adaptar una perovskita para hacer el trabajo. En 2014, por ejemplo, investigadores en Japón y Estados Unidos lo hicieron agregando estaño a la receta estándar para una perovskita a base de plomo. Eso ha permitido a los equipos de todo el mundo construir tándems con dos perovskitas: una celda de alta energía convencional con base de plomo y una perovskita de estaño-plomo que reemplaza al silicio. Los tándems de perovskita resultantes son aproximadamente un 23% eficientes.

Los problemas permanecen. Uno es que el estaño reacciona fácilmente con el oxígeno del aire, creando defectos en la red cristalina de la perovskita de estaño-plomo. Estos defectos interrumpen el movimiento de las cargas eléctricas a través de la celda, lo que limita la eficiencia de la celda. Ahora, los investigadores dirigidos por Joseph Berry, físico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, informan que han encontrado una manera de evitar que el estaño reaccione con el oxígeno en una perovskita. Agregaron un compuesto orgánico simple a su mezcla de perovskita de estaño-plomo llamada tiocianato de guanidinio, que esencialmente cubre los cristalitos de perovskita que forman la película absorbente solar, evitando que el oxígeno se filtre hacia adentro para reaccionar con el estaño. Como resultado, la eficiencia de la capa de perovskita de estaño y plomo aumentó de 18% a 20%. Cuando Berry y su equipo combinaron este material con una capa superior de perovskita de absorción de alta energía convencional, la celda tándem resultante convirtió el 25% de la energía de la luz solar en electricidad.

La eficiencia de los nuevos tándems de perovskita aún está rezagada con respecto a los emparejamientos de silicio-perovskita de Oxford PV y otros. Pero Berry señala que la perovskita de su equipo no fue tan eficiente como podría haber sido. Así que ahora están buscando mejorar eso.

Kamat dice que para producir energía durante décadas en el campo, los tándems de solo perovskitas deberán coincidir con la solidez del silicio, y aún les queda un largo camino por recorrer. Pero como se espera que los tándems de solo perovskitas sean mucho más baratos de producir que los tándems de silicio-perovskita o celdas de silicio solas, es una apuesta segura que los científicos harán todo lo posible para demostrar su valía.