Paneles solares de perovskita

Una sustancia conocida por los científicos durante más de cien años, solo que hoy, a principios del siglo XXI, resultó ser un material muy prometedor para la producción de células solares baratas y efectivas. Perovskita, o titanato de calcio, encontrado por primera vez en forma de mineral por el geólogo alemán Gustav Rosa en los Montes Urales en 1839, y nombrado en honor al conde Lev Alekseevich Perovsky, un glorioso estadista y coleccionista de minerales, el héroe de la Segunda Guerra Mundial en 1812, resultó ser el contendiente más adecuado para El papel de la alternativa al silicio en la producción de células solares.

Como sustancia, hasta hace poco, el titanato de calcio se usaba ampliamente solo como dieléctrico para condensadores cerámicos multicapa. Y ahora están tratando de aplicarlo para construir paneles solares altamente eficientes, ya que resultó que este material absorbe perfectamente la luz.

Ordinario, tradicional largo paneles solares de silicio con un grosor de 180 micras, absorben tanta luz como la perovskita absorberá con un grosor de solo 1 micra. La perovskita, al igual que el silicio, es un semiconductor, y aproximadamente el mismo transfiere eficientemente la carga eléctrica bajo la influencia de la luz, sin embargo, el espectro de luz convertido en electricidad para la perovskita es más amplio que para el silicio.

La estructura de la sustancia cristalina del titanato de calcio es idéntica a la estructura del mineral de perovskita, por lo tanto, su nombre es el mismo. Y es esta sustancia la que se encuentra hoy en uno de los principales lugares en el ranking de rutas de optimización para la energía solar.

La cuestión es que los paneles solares a base de silicio cuestan un promedio de 75 centavos por 1 kW hoy, y los paneles solares a base de perovskita reducirán su costo a 10-15 centavos por 1 kW, es decir, la tecnología solar de perovskita en 5-7 veces más barato que el silicio tanto en la producción de baterías como en su funcionamiento, y la cantidad de electricidad producida es la misma.

Y esto a pesar del hecho de que los analistas de la industria energética afirman que ya a un costo de 50 centavos por 1 kW, la energía solar se está volviendo competitiva con los combustibles fósiles. Es decir, la transición a perovskita a escala global reducirá el costo de producción de electricidad en ocasiones, mientras que el proceso de producción de los paneles en sí será muy simple.

Se están realizando estudios para evaluar y mejorar la eficiencia de las células solares basadas en perovskita en muchos países: en Australia, Martin Green, en Suiza, Michael Gretzel, en los EE. UU., Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day y Corea, Sok Sang Il. Los investigadores dicen con una sola voz sobre el bajo costo y la alta eficiencia de la tecnología prometedora.

Michael Gretzel argumenta que su eficiencia del 15% se puede aumentar fácilmente al 25%, y las células solares de bajo costo disponibles actualmente no alcanzan el 15%. Por primera vez, en 2009, cuando solo hablaban de las posibilidades de usar perovskita para energía solar, se obtuvo una eficiencia del 3.5%, y las células fueron de corta duración, ya que el electrolito líquido disolvió perovskita, y tan pronto como los científicos tuvieron tiempo de medir, la batería dejó de funcionar.

Sin embargo, después de tres años, el electrolito líquido fue reemplazado por uno sólido, y las células se volvieron más estables, y la eficiencia se duplicó primero y luego se duplicó nuevamente. Varias capas de sustrato conductoras de la electricidad, una de las cuales estaba pigmentada, resolvieron el problema y abrieron la perspectiva. Los pasos para mejorar la eficiencia no se detienen hasta el día de hoy, los científicos usan, entre otras cosas, métodos de optimización estándar que sirvieron para mejorar los precursores de silicio.

Michael Gretzel está seguro de que un 25% de eficiencia conducirá a una revolución en la energía solar.Un profesor de Australia, Martin Green, uno de los pioneros en la investigación, afirma que las baterías sin silicio son tan simples de fabricar y eficientes de operar que definitivamente hay certeza de que el futuro de los paneles solares en Perovskite es brillante, porque las estimaciones preliminares ya predicen una gran reducción en el precio: 7 tiempos

Un grupo de investigadores de Corea, liderado por Sok Sang Il, desarrolló su propia fórmula al mezclar bromuro de plomo y amonio con yoduro de plomo y formamidina, los científicos lograron una estructura de perovskita que estableció una eficiencia récord de 17.9%. El uso de la mezcla permitirá la impresión de células solares y su costo se reducirá aún más. El problema persiste: el material se disuelve en agua, además, el tamaño de las células en las pruebas no superó los 10 mm cuadrados, por lo que la investigación continúa.

El proceso de fabricación de células solares de perovskita les parece a los investigadores bastante simple. El líquido simplemente se rocía sobre la superficie o se aplica en forma de vapor, lo cual es muy sencillo de realizar tecnológicamente. Se aplican varias capas de materiales sobre papel de aluminio o vidrio, uno de los cuales es la perovskita.

Aquí se necesitan otros materiales para facilitar el movimiento de electrones dentro del elemento. El proceso de fabricación está cerca del ideal. El físico de la Universidad de Oxford Henry Saint, que trabaja en el desarrollo de células de perovskita en los Estados Unidos, confía en que las capas del panel solar se aplicarán tan fácilmente como con una pintura regular en una superficie.

A pesar de las perspectivas emergentes, los científicos se dividieron en dos campos. Los primeros abogan por la mejora de las baterías de silicio que ya se han vuelto tradicionales, mientras que los otros abogan por la creación de baterías completamente nuevas y más eficientes. Por lo tanto, Martin Green cree que la perovskita se puede usar como una adición a las baterías de silicio, combinando silicio con perovskita y, por lo tanto, reduce el costo de un vatio de electricidad producido sin pérdidas significativas para la industria del silicio. Michael Gretzel, por el contrario, está convencido de que los nuevos desarrollos son importantes y que el costo de aumentar la eficiencia de las nuevas fotocélulas dará sus frutos muchas veces.

Muchas empresas ya están trabajando en la implementación comercial del producto, porque a pesar de que las posibilidades de la perovskita apenas comienzan a darse cuenta, los principales expertos en el campo de la energía solar ya han centrado su atención en el futuro. Las empresas australianas y turcas juntas se acercaron activamente a la comercialización de paneles solares de perovskita y, según las previsiones, para 2018 se presentarán en el mercado mundial.

A pesar del optimismo de algunas compañías, la experiencia muestra que generalmente toma alrededor de diez años para que una nueva tecnología pase del laboratorio al mercado, y durante este tiempo, las baterías de silicio pueden superar a la perovskita. Gretzel, por cierto, está vendiendo una licencia para nuevas tecnologías a compañías que pretenden seguir la forma tradicional de silicio.

La competencia en el mercado de la energía solar también es alta, y cada nuevo jugador se enfrenta a ella. El costo de los paneles de silicio se reduce y, según algunos analistas, puede caer a 25 centavos por 1 kW, lo que priva por completo los beneficios de la tecnología de perovskita.

La presencia de una pequeña cantidad de plomo en el pigmento, que es tóxica, sigue siendo un problema. Están surgiendo estudios experimentales que revelarán cuán tóxica es la perovskita. Vale la pena prestar atención a la eliminación de las baterías usadas, como es el caso de las baterías de automóviles de arranque. Pero, en principio, se puede usar estaño o algo similar en lugar de plomo.

Mientras tanto, investigadores de Ohio, liderados por Leaming Dai, se dedicaron a electrificar autos eléctricos con paneles solares de perovskita. Desarrollaron la combinación más beneficiosa de paneles solares con baterías de automóviles eléctricos que nunca antes.

Al conectar cuatro baterías de perovskita a una batería de litio, los científicos lograron una eficiencia del 7,8% en la configuración más eficiente hasta la fecha, que superó las soluciones anteriores para combinar células solares con supercondensadores y baterías.

Los paneles multicapa han aumentado la densidad y la estabilidad de la energía recibida del sol. Las pruebas han demostrado que tres capas de perovskita se transforman, si se desea, en una película. Con un área de celda única de no más de 10 mm cuadrados, los investigadores lograron una eficiencia del 12,65% de un convertidor del tamaño de una moneda, pero teniendo en cuenta la conversión y el almacenamiento de energía, la eficiencia fue del 7,8% en modo cíclico.

Dichos sistemas, según los desarrolladores, podrán en el futuro no solo cargar coches eléctricos, sino que también se instalarán en forma de una película flexible en los cuerpos. La tecnología parece ideal para vehículos eléctricos.

Es notable la capacidad de la perovskita para volver a ingresar. Un científico de la Universidad de Cambridge, Felix Deschler, descubrió que la perovskita tiene una propiedad única. Cuando la luz ingresa al material, la energía del fotón no solo se convierte en electricidad, sino que parte de la carga se convierte nuevamente en fotones.

Si el panel puede reutilizar estos fotones, entonces la energía recolectada será aún mayor. El grupo de Deshler realizó un experimento en el que el rayo láser se concentró en una sección de perovskita de 0,5 micras de espesor y la luz se volvió a emitir en otra parte de la muestra. El silicio, por ejemplo, no tiene la capacidad de transferir energía dentro de sí mismo y nuevamente emitirlo.

Por lo tanto, las perspectivas para la perovskita son enormes, y quién sabe, puede que sea en el momento en que cada casa y cada automóvil estén equipados con baterías de perovskita, ya que no será rentable económicamente y no será aconsejable contaminar el medio ambiente con productos de combustión de combustibles fósiles.