Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar de 3era generación que contiene un compuesto con estructura tipo perovskita como capa absorbente, conteniendo componentes orgánicos-inorgánicos (híbrida) o ser únicamente inorgánicos. Estos absorbentes presentan propiedades optoelectrónicas excelentes y una alta tolerancia a defectos estructurales, especialmente los que tienen estructuras 3D tales como el yoduro de metilamonio (MAPbI2). La alta tolerancia a defectos permite el diseño de absorbentes con bandgaps variados controlando la cantidad de haluro sin cambios estructurales significativas. Esto facilita la fabricación de estructuras basadas en multi-uniones de absorbentes con estructuras similares que pueden absorber en un rango amplio del espectro, permitiendo una eficiencia de conversión fotovoltaica (PCE) superior.
Desde su descubrimiento en 2009, el desarrollo tecnológico de PSCs ha impulsado su PCE desde un 2.8% hasta un 27.7% en celdas mono-unión, sobrepasando los limites de eficiencia de las mejores células solares de silicio. La combinación de PSCs con silicio recientemente ha permitido obtener un PCE máximo de 29.8%, mientras que células multi-unión de perovskitas pueden conseguir hasta un 31.9% (comparable con células multiunión III-V) con una huella de carbono muy baja.
¿Cuáles son sus principales ventajas?
Estos absorbentes son semiconductores con bandgap directo en los que los portadores de carga se difunden bien, por lo que son buenos absorbentes y permiten conseguir alta eficiencia usando capas muy finas. Así, las PSCs pueden ser flexibles, semitransparentes y ligeras. También son más baratas y rápidas de producir que cualquier otro tipo de célula, ya que pueden fabricarse usando procesos en disolución. Por último, tienen una tasa de recuperación y reciclado de materiales muy alta (99.2%) que permite abaratar costes de fabricación.
¿Qué factores frenan su comercialización?
Aunque esta tecnología ha visto un rápido crecimiento, varios problemas han frenado su entrada en el mercado fotovoltaico. Las técnicas de fabricación de PSCs no se pueden implementar en procesados en línea para la producción en gran escala, y las perovskitas usadas como absorbentes son muy higroscópicas y se degradan rápidamente en ambientes húmedos, al exponerse a radiación UV y por calentamiento. Además, los absorbentes que ofrecen mayor PCE contienen plomo, que se hidroliza en contacto con la humedad reduciendo la eficiencia de las células y representa un perjuicio medioambiental. Por último, las curvas I-V de PSCs muestras un comportamiento de histéresis perjudicial para si eficiencia cuyas causas son aún desconocidas.
¿Cuáles son los siguientes pasos?
Científicos en todo el mundo están desarrollando soluciones a estos problemas, tales como diferentes estructuras de celda, texturización de superficies, encapsulación de células para protegerlas del ambiente y radiación UV, y sustitución de Pb por otros metales de transición en las estructuras. Paralelamente, también se están desarrollando nuevos protocolos de testeo y validación de PCEs aplicables a esta nueva tecnología fotovoltaica.
La rápida evolución de solución para comercializar esta tecnología ya ha permitido la producción de PSCs estables ambientalmente con bandgaps favorables y tamaños de celda considerables, y continuas mejoras son esperables en el futuro inmediato. En conclusión, esta tecnología ha demostrado un desarrollo a velocidades estelares en la última década permitiendo su reciente entrada en el mercado fotovoltaico.
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Referencias:
- A. K. Jena, A. Kulkarni and T. Miyasaka, Chem. Rev., 2019, 119, 3036–3103.
- J. Gong, S. B. Darling and F. You, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1953–1968.
- H. J. Snaith, Nature Mater, 2018, 17, 372–376.
