La energía solar no sólo es la tecnología energética de más rápido crecimiento en la historia reciente sino también una de las fuentes de energía más baratas y más efectivas en términos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
Un estudio de la Universidad Rice aparece en la portada de la edición de hoy. ciencia Yoduro de plomo de formamidinio (FAPbI3), el tipo de cristal que se utiliza actualmente para fabricar las células solares de perovskita más eficientes: películas fotovoltaicas ultraestables y de alta calidad. La eficiencia global del FAPbI resultante.3 Las células solares se degradaron menos del 3 por ciento durante más de 1.000 horas de funcionamiento a 85 grados Celsius (185 Fahrenheit).
“En este momento, creemos que es lo último en términos de estabilidad”, dijo el ingeniero de Rice, Aditya Mohate, cuyo laboratorio ha realizado mejoras progresivas en la estabilidad y el rendimiento de las perovskitas en los últimos años. “Las células solares de perovskita tienen el potencial de revolucionar la producción de energía, pero lograr la estabilidad a largo plazo ha sido un desafío importante”.
Con este último desarrollo, Mohite y sus colaboradores han alcanzado un hito importante para preparar la energía fotovoltaica de perovskita para el mercado. La clave fue “sazonar” la FAPbI.3 Resolución mediante pulverización catódica de perovskitas bidimensionales (2D) especialmente diseñadas. Estos actúan como plantillas para guiar el crecimiento de perovskita en masa/3D, proporcionando compresión y estabilidad adicionales a la estructura de la red cristalina.
“Los cristales de perovskita se rompen de dos maneras: químicamente, destruyendo las moléculas que forman el cristal, y estructuralmente, reorganizando las moléculas para formar un cristal diferente”, dijo Isaac Metcliffe, director de ciencia de materiales en Rice y estudiante de posgrado en nanoingeniería. y autor principal de un estudio. “De los diferentes cristales que utilizamos en las células solares, los más estables químicamente son también los menos estables estructuralmente y viceversa. FAPbI3 está en el extremo estructuralmente inestable del espectro”.
aunque más estable que FAPbI3 Tanto química como estructuralmente, las perovskitas 2D generalmente no son muy buenas para captar luz, lo que las convierte en una mala elección de material para células solares. Sin embargo, los investigadores plantearon la hipótesis de que las perovskitas 2D se utilizan como plantillas para hacer crecer FAPbI.3 Las películas pueden aportar su estabilidad a este último. Para probar esta idea, prepararon cuatro tipos diferentes de perovskitas 2D, dos de ellas con estructuras superficiales casi indistinguibles de las FAPbI.3 y dos menos similares, y los utilizó para crear una FAPbI diferente.3 Formulaciones cinematográficas.
“La adición de cristales 2D bien combinados hizo que fuera más fácil para la FAPbI3 formar cristales, mientras que los cristales 2D mal adaptados dificultaban su formación, lo que confirma nuestra hipótesis”, afirma la FAPbI.3 Las películas producidas con cristales 2D eran de alta calidad, presentaban una baja distorsión intrínseca y mostraban una fuerte respuesta a la luz, lo que se traduce en una alta eficiencia”.
Las plantillas de cristal 2D no sólo mejoraron el rendimiento de FAPbI;3 Células solares pero también su estabilidad. Mientras que las células solares sin cristales 2D se degradaron significativamente después de dos días de exposición a la luz solar en el aire, las células solares con plantillas 2D no comenzaron a degradarse incluso después de 20 días. Al agregar una capa de encapsulación a las células solares con plantilla 2D, la estabilidad mejoró aún más en tiempos que se acercaban a la compatibilidad comercial.
Los hallazgos podrían tener un efecto transformador en las tecnologías de recolección de luz, o fotovoltaicas, reduciendo aún más los costos de fabricación y haciendo posible construir paneles solares con una estructura más simple que los suyos, más livianos y más flexibles que sus homólogos basados en silicona.
“Las perovskitas son solubles en solución, por lo que se puede tomar la tinta precursora de perovskita y extenderla sobre un trozo de vidrio, luego calentarla y obtener una capa absorbente para una célula solar”, dijo Metcalf. “Dado que no se necesitan temperaturas muy altas (las películas de perovskita se pueden procesar a temperaturas tan bajas como 150 grados Celsius (302 Fahrenheit)), esto significa, en teoría, que los paneles solares de perovskita se pueden fabricar a partir de plástico o incluso se pueden fabricar sobre sustratos flexibles, lo que puede reducir aún más los costos”.
Aunque es el semiconductor más utilizado en células fotovoltaicas, el silicio implica procesos de fabricación que requieren más recursos que las alternativas emergentes. Entre ellas, destacan las perovskitas de halogenuros por su creciente eficiencia, que ha pasado del 3,9% en 2009 a más del 26% en la actualidad.
“Los paneles solares de perovskita de alta calidad deberían ser mucho más baratos y consumir menos energía que los paneles de silicio de alta calidad, porque el procesamiento es muy fácil”, dijo Metcalf.
“Necesitamos urgentemente hacer una transición de nuestro sistema energético global hacia alternativas libres de emisiones”, dijo, señalando las estimaciones del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de las Naciones Unidas de que “las alternativas a los combustibles fósiles constituyen un fuerte argumento para la energía solar como
Mohate enfatizó que los avances en las tecnologías e infraestructura de energía solar son fundamentales para lograr el objetivo de emisiones de gases de efecto invernadero para 2030 y limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 grados Celsius, lo que “nos pondrá en camino de lograr cero emisiones netas de carbono para 2050”.
“Si no se genera electricidad solar, no se producirá ninguno de los otros procesos que dependen de los electrones verdes de la red, como los procesos termoquímicos o electroquímicos para la fabricación de productos químicos”, dijo Mohite. “La energía fotovoltaica es absolutamente crítica”.
Mohit es profesor fideicomisario William M. Rice en Rice, profesor de ingeniería química y biomolecular y director de la facultad de la Iniciativa de Ingeniería de Rice para la Transición Energética y la Sostenibilidad. Además de Metcalf, Siraj Siddique, ex alumno de doctorado de Rice, es el autor principal del estudio.
“Me gustaría darle mucho crédito a Siraj, quien inició el proyecto basándose en una idea teórica del profesor Jackie Evan de la Universidad de Rennes”, dijo Mohate. “También me gustaría agradecer a mis colegas de los laboratorios nacionales y de varias universidades de Estados Unidos y del extranjero cuyo apoyo fue fundamental para este trabajo”.
Otros coautores incluyen investigadores de varias instituciones en los EE. UU. y el extranjero, incluido el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Universidad de California, San Diego; Universidad de Lille, Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS), Instituto Central de Lille; Universidad de Artós; Northwestern University; Universidad de Purdue; Universidad de Rennes, INSA Rennes, CNRS, Instituto FOTON; Laboratorio Nacional Brookhaven; Universidad de Washington; y la Universidad del Noroeste.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Hertz, la Fundación Nacional de Ciencias, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército, el Consejo de Becas de China (202107990007) y el Institut Université de France. y la Fundación Científica Alemana. El contenido de este comunicado de prensa es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los financiadores.
