La investigación revela la inestabilidad térmica de las células solares, pero ofrece un brillante camino a seguir

15.02.2023 - Estados Unidos

Un nuevo tipo de tecnología solar parece prometedor en los últimos años. Las células solares de haluros de perovskita tienen un alto rendimiento y un bajo coste de producción de energía eléctrica, dos ingredientes necesarios para el éxito de cualquier tecnología solar del futuro. Pero los nuevos materiales para células solares también deben igualar la estabilidad de las células solares basadas en silicio, que presumen de más de 25 años de fiabilidad.

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En una investigación publicada recientemente, un equipo dirigido por Juan-Pablo Correa-Baena, profesor adjunto de la Facultad de Ciencias de los Materiales e Ingeniería de Georgia Tech, demuestra que las células solares de haluro perovskita son menos estables de lo que se pensaba. Su trabajo revela la inestabilidad térmica que se produce en las capas de interfaz de las células, pero también ofrece un camino hacia la fiabilidad y la eficiencia de la tecnología solar de haluros de perovskita. Su investigación, publicada como portada de la revista Advanced Materials en diciembre de 2022, tiene implicaciones inmediatas tanto para los académicos como para los profesionales de la industria que trabajan con perovskitas en fotovoltaica, un campo relacionado con las corrientes eléctricas generadas por la luz solar.

Las células solares de perovskita de haluro de plomo prometen una conversión superior de la luz solar en energía eléctrica. En la actualidad, la estrategia más común para conseguir una alta eficiencia de conversión de estas células consiste en tratar sus superficies con grandes iones cargados positivamente, conocidos como cationes.

Estos cationes son demasiado grandes para encajar en la red a escala atómica de la perovskita y, al aterrizar en el cristal de perovskita, cambian la estructura del material en la interfaz donde se depositan. Los defectos a escala atómica resultantes limitan la eficacia de la extracción de corriente de la célula solar. A pesar del conocimiento de estos cambios estructurales, la investigación sobre si los cationes son estables después de la deposición es limitada, lo que deja un vacío en la comprensión de un proceso que podría afectar a la viabilidad a largo plazo de las células solares de haluro de perovskita.

"Nuestra preocupación era que durante largos periodos de funcionamiento de la célula solar continuara la reconstrucción de las interfaces", explica Correa-Baena. "Así que buscamos entender y demostrar cómo ocurre este proceso a lo largo del tiempo".

Para llevar a cabo el experimento, el equipo creó un dispositivo solar de muestra utilizando películas típicas de perovskita. El dispositivo cuenta con ocho células solares independientes, lo que permite a los investigadores experimentar y generar datos basados en el rendimiento de cada célula. Investigaron el rendimiento de las células, con y sin el tratamiento superficial con cationes, y estudiaron las interfaces modificadas con cationes de cada célula antes y después de un estrés térmico prolongado mediante técnicas de caracterización por rayos X basadas en sincrotrón.

En primer lugar, los investigadores expusieron las muestras pretratadas a 100 grados centígrados durante 40 minutos y, a continuación, midieron sus cambios en la composición química mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. También utilizaron otro tipo de tecnología de rayos X para investigar con precisión qué tipo de estructuras cristalinas se forman en la superficie de la película. Combinando la información de las dos herramientas, los investigadores pudieron visualizar cómo se difunden los cationes en la red y cómo cambia la estructura de la interfaz cuando se expone al calor.

A continuación, para entender cómo afectan los cambios estructurales inducidos por los cationes al rendimiento de la célula solar, los investigadores emplearon la espectroscopia de correlación de excitación en colaboración con Carlos Silva, profesor de Física y Química del Georgia Tech. La técnica expone las muestras de células solares a pulsos de luz muy rápidos y detecta la intensidad de la luz emitida por la película después de cada pulso para comprender cómo se pierde la energía de la luz. Las mediciones permiten a los investigadores comprender qué tipos de defectos superficiales son perjudiciales para el rendimiento.

Por último, el equipo correlacionó los cambios en la estructura y las propiedades optoelectrónicas con las diferencias en la eficiencia de las células solares. También estudiaron los cambios inducidos por las altas temperaturas en dos de los cationes más utilizados y observaron las diferencias de dinámica en sus interfaces.

"Nuestro trabajo reveló que el tratamiento con ciertos cationes introduce una inestabilidad preocupante", afirmó Carlo Perini, investigador del laboratorio de Correa-Baena y primer autor del artículo. "Pero la buena noticia es que, con una ingeniería adecuada de la capa de interfaz, veremos mejorada la estabilidad de esta tecnología en el futuro".

Los investigadores descubrieron que las superficies de las películas de perovskita de haluro metálico tratadas con cationes orgánicos evolucionan en estructura y composición bajo estrés térmico. Vieron que los cambios a escala atómica resultantes en la interfaz pueden causar una pérdida significativa de la eficiencia de conversión de potencia en las células solares. Además, descubrieron que la velocidad de estos cambios depende del tipo de cationes utilizados, lo que sugiere que las interfaces estables podrían estar al alcance con una ingeniería adecuada de las moléculas.

"Esperamos que este trabajo obligue a los investigadores a probar estas interfaces a altas temperaturas y buscar soluciones al problema de la inestabilidad", afirmó Correa-Baena. "Este trabajo debería orientar a los científicos en la dirección correcta, hacia un área en la que puedan centrarse para construir tecnologías solares más eficientes y estables".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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