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Julian Steele (izquierda), científico en la KU Leuven y la Universidad de Queensland, y Eduardo Solano (derecha), científico de la línea NCD-SWEET.
Cerdanyola del Vallès, 4 de octubre 2023 Las celdas solares de silicio que se utilizan normalmente para generar electricidad están limitadas en eficiencia, es decir en la cantidad de luz solar que llega y se convierte en electricidad. Los récords actuales de eficiencia más alta para celdas solares exclusivamente de silicio se sitúan en torno al 24,5% para celdas comerciales y al 27% en condiciones de laboratorio. Estas cifras son cercanas al máximo teórico de eficiencia del 29% para este tipo de celdas, y se ha avanzado poco en aumentar esta cifra en los últimos años. Grupos de investigación de todo el mundo están comprometidos en mejorar su eficiencia y desarrollar materiales innovadores, como perovskitas de haluros metálicos, como posibles alternativas al silicio.
Superar la barrera energética crítica
Para superar esta limitación de eficiencia y reducir aún más los costos de la electricidad solar, un equipo de los centros suizos EPFL y CSEM ha estado explorando nuevos enfoques y finalmente ha demostrado, en el artículo publicado en la revista Science, una eficiencia del 31,25% al apilar celdas de silicio y perovskita en una estructura llamada en tándem. Este logro marca la primera vez que una tecnología de bajo coste supera el umbral de eficiencia del 30%.
Las celdas solares tándem ofrecen una mejor utilización de la energía solar al optimizar cada subcelda para capturar diferentes partes del espectro de luz solar. Sin embargo, una limitación típica de las celdas tándem de perovskita sobre silicio son las pérdidas por recombinación que se producen en la interfaz de la perovskita con el contacto selectivo de electrones. La recombinación se refiere a la pérdida de portadores de carga antes de que puedan recolectarse y utilizarse para generar electricidad.
Para solucionar este problema, el equipo científico de EPFL y CSEM tomó una celda de silicio comercial estándar e incorporaron un aditivo en la secuencia de procesamiento cuando hacían crecer el cristal de perovskita en la parte superior de la celda. Este aditivo reguló eficazmente el proceso de cristalización de perovskita y pasivó su interfaz superior. La pasivación química es recubrir un material para que sea “pasivo”, o sea menos afectado por el ambiente. En este caso implica adaptar la estructura y la química de las interfaces y superficies para minimizar la pérdida de energía y así poder utilizar de manera eficiente el máximo de energía generada.
Una luz brillante para un futuro energético más brillante
Para analizar en profundidad el impacto de dicho aditivo en el proceso de cristalización de perovskita, se han realizado análisis con la técnica de dispersión de rayos X de gran ángulo de incidencia rasante (GIWAXS) en el Sincrotrón ALBA. "La técnica de GIWAXS proporciona información detallada sobre la estructura cristalográfica, la orientación y las transiciones de fase dentro del material", explica Eduardo Solano, científico de línea de luz de ALBA. En concreto, Solano brinda apoyo a los grupos de investigación que vienen a ALBA para utilizar esta técnica con luz de sincrotrón en NCD-SWEET, una línea de luz flexible y dinámica que puede proporcionar una gran variedad de entornos de muestra para experimentos in situ.
"Esta configuración modular nos permite ver todo el proceso de cristalización de la perovskita mientras ocurre en tiempo real, en condiciones de cristalización controladas", explica Julian Steele, uno de los autores del artículo de Science y científico de la KU Leuven y de la Universidad de Queensland. "Recientemente se ha disparado el número de estudios hechos con GIWAXS en un sincrotrón para estudiar películas delgadas de perovskita de haluros metálicos, ya que esta técnica ha demostrado ser valiosísima para comprender la relación entre estructura y propiedades de un material, que condicionan su rendimiento optoelectrónico", destaca Steele.
Cruzar la barrera del 30% de eficiencia representa un gran avance. Aun así, la degradación de las celdas tándem con el tiempo bajo las condiciones ambientales del mundo real sigue siendo un desafío que debe abordarse. La estabilidad a largo plazo de estas celdas es fundamental para su viabilidad como solución energética práctica y duradera. Los próximos pasos serán centrar la atención en garantizar su longevidad y rentabilidad. Si bien existen celdas solares de uniones múltiples (hechas de diferentes materiales semiconductores) con eficiencias aún mayores (hasta un 47%), su producción es costosa y solamente son adecuadas para aplicaciones muy específicas, como satélites espaciales o escenarios de luz solar concentrada. A medida que la industria solar se apresura a lograr una mayor eficiencia, las opiniones expertas creen que los límites probablemente estarán muy por encima del 35%, y la financiación continua de la investigación y el desarrollo será esencial para mantenerse al día con la creciente demanda de energía solar.
Referencia: Xin Yu Chin, Deniz Turkay, Julian A. Steele, Saba Tabean, Santhana Eswara, Mounir Mensi, Peter Fiala, Christian M. Wolff, Adriana Paracchino, Kerem Artuk, Daniel Jacobs, Quentin Guesnay, Florent Sahli, Gaëlle Andreatta, Mathieu Boccard, Quentin Jeangros, Christophe Ballif. Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells. Science 381, 59-63 (2023). DOI: 10.1126/science.adg0091
Adaptado de las noticias originales de LIST (Luxembourg Institute of Science and Technology) y de CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique).
