Células solares de perovskita resistentes a la intemperie y aptas para usos prácticos
Investigadores de la TUM descubren cómo envejecen las células solares y desarrollan una solución
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Las células solares de perovskita son una de las tecnologías más prometedoras para abaratar y aumentar la eficiencia de la energía solar. En colaboración con socios del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) y el Real Instituto de Tecnología KTH de Estocolmo, el equipo ha descubierto los mecanismos microscópicos que explican el deterioro del material por los cambios de temperatura y ha desarrollado una estrategia para evitarlo. Su enfoque se centra en estabilizar la frágil estructura cristalina con "anclajes" moleculares especialmente diseñados.
Las células solares de perovskita son una de las tecnologías más prometedoras para abaratar y aumentar la eficiencia de la energía solar. En colaboración con socios del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) y el Real Instituto de Tecnología KTH de Estocolmo, el equipo descubrió los mecanismos microscópicos que subyacen al deterioro del material por los cambios de temperatura y desarrolló una estrategia para evitarlo. Su enfoque se centra en estabilizar la frágil estructura cristalina con "anclajes" moleculares especialmente diseñados.
Más allá del laboratorio: Supervivencia en el mundo real
Para alcanzar los objetivos climáticos del mañana, las células solares deben durar décadas. Aunque las perovskitas han alcanzado eficiencias récord en la conversión de luz solar en electricidad, se enfrentan a un enemigo brutal en la naturaleza: los cambios extremos de temperatura. Los expertos hablan de ciclos térmicos. En un solo día, un panel solar puede pasar de noches gélidas a un calor abrasador. Estas condiciones del mundo real, calentamientos y enfriamientos repetidos, pueden desencadenar una fase temprana de degradación en la que las células solares de perovskita pueden perder su rendimiento relativo.
"Si queremos que estas células estén en todos los tejados, tenemos que asegurarnos de que no sólo rindan en el laboratorio, sino que soporten el estrés de las estaciones", afirma el profesor Peter Müller-Buschbaum, catedrático de Materiales Funcionales de la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM y miembro del Cluster de Excelencia en e-conversión. Su equipo de investigación trabaja en este reto y ha identificado las causas microscópicas de esta inestabilidad. Han desarrollado nuevas estrategias de diseño para que la capa superior de las células solares en tándem sea más robusta y pueda resistir las condiciones del mundo real. Las células solares en tándem están formadas por células solares apiladas (dos como mínimo) y, por tanto, aprovechan mejor la luz solar.
La fase de "quemado" descifrada
En un estudio publicado en Nature Communications, el autor principal, el Dr. Kun Sun, de la Cátedra de Materiales Funcionales de la TUM, y su equipo investigaron las llamadas células de banda ancha de alta eficiencia, las superiores de una célula solar en tándem. Utilizando mediciones de rayos X de alta resolución en el DESY, el equipo observó cómo el material "respiraba" en tiempo real durante los cambios bruscos de temperatura; la red se expandía y contraía periódicamente en respuesta a las rápidas fluctuaciones de temperatura.
El descubrimiento fue sorprendente: la degradación se produce en una fase inicial masiva de "quemado", en la que las células pueden perder hasta un 60% de su rendimiento relativo. "Revelamos que un tira y afloja microscópico desencadena esta pérdida", explica el Dr. Kun Sun. "Surgen tensiones en el interior del material y su estructura cambia; esto cuesta energía". Este hallazgo da a los ingenieros un objetivo claro: si podemos eliminar el agotamiento, podemos desbloquear la estabilidad a largo plazo.
Diseñar el "anclaje perfecto"
¿Cómo evitar que el material se desmorone? En un segundo artículo publicado en ACS Energy Letters, los investigadores explican cómo estabilizar el sensible material cristalino. Utilizaron moléculas orgánicas especiales que actúan como espaciadores, manteniendo unida la estructura, como un andamio molecular.
Al comparar distintos espaciadores, los investigadores descubrieron un ganador: mientras que los espaciadores comunes provocaban una ruptura estructural, la molécula orgánica más voluminosa PDMA actuaba como un anclaje superior. El resultado es una célula solar mucho más robusta que se mantiene estable incluso bajo el estrés mecánico del calentamiento y el enfriamiento rápidos.
"El futuro de la energía fotovoltaica es el tándem", afirma el profesor Peter Müller-Buschbaum. "Al comprender esta mecánica microscópica, estamos allanando el camino para una nueva generación de módulos solares que son a la vez altamente eficientes y lo suficientemente duraderos para décadas de uso al aire libre."
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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