Artículo de Eva M.ª Barea Berzosa,
profesora de Física en la Universitat Jaume I, y publicado en la revista
digital The Conversatiom
La energía solar fotovoltaica, que consiste en la
captación de la energía solar para ser convertida en electricidad, ha
experimentado una gran revolución en las dos últimas décadas con el empleo
masivo de un material llamado perovskita.
Actualmente estamos en la cuarta generación de células
solares; así es como se denominan los dispositivos o placas solares en del
campo científico.
La primera generación de células solares está basada
en silicio cristalino o policristalino, con una eficiencia máxima del
22 %.
En las de segunda generación se emplean las llamadas
células de capa fina, basadas en elementos como el selenio, zinc, galio, indio,
cadmio y estaño.
En las de tercera generación se utilizaron por primera
vez materiales nanométricos para captar radiación solar. En ella se usan
compuestos orgánicos absorbedores de luz (células solares de colorante) junto
con las células solares poliméricas en las se emplean polímeros conductores.
La cuarta generación se caracteriza por las células
solares basadas en perovskita.
El auge de las perovskitas
El empleo masivo de este material comenzó en 2009 en
Japón cuando un grupo de investigadores de la Universidad de Tokio empleó una perovskita como material absorbedor de luz. Ya en el primer experimento, los
científicos obtuvieron una buena eficiencia de conversión de luz solar a
electricidad, de un 3,8 %. Aunque el valor es bajo, para una primera
prueba es más que aceptable.
A pesar del gran resultado inicial, comprobaron que la
estabilidad era muy baja. No obstante, aquel fue solo el inicio de una loca
carrera hacia lo que es hoy en día una prometedora realidad. En algo más de una
década, se ha alcanzado una eficiencia de conversión del 25,5 %.
Este material ha avanzado en tan solo trece años lo
que el silicio tardó cincuenta años en recorrer. Se ha mejorado mucho su
estabilidad frente a agentes externos como la humedad y el oxígeno, y la
perovskita ya no se degrada en horas. No obstante, todavía falta mejorar el
encapsulado final de las células solares para asegurar una larga vida útil del
producto final.
Estructura y composición
Las perovskitas son materiales con estructura
química ABX₃, donde A es un catión orgánico voluminoso como el metilamonio o
inorgánico como el cesio, B es un elemento metálico como el plomo o el estaño y
X es un elemento halogenado, siendo bromo y cloro los más habituales.
La perovskita nos ha permitido disminuir costes de fabricación. Su
síntesis es sencilla y muy rápida, y además se emplean materiales abundantes y
baratos. No es necesario emplear temperaturas elevadas de procesado como ocurre
en las células solares de silicio y en las de capa fina (primera y segunda
generación de células solares).
Todas estas características de síntesis permiten que la
fabricación de un panel solar de perovskita sea mucho más económico que un
panel solar de silicio.
Además, son materiales multifuncionales, absorben luz y son
capaces de transportar tanto electrones como huecos. Son muy agradecidos, ya
que con pequeñas modificaciones de síntesis se pueden modificar sus propiedades
fácilmente. A todo esto hay que añadir los grandes esfuerzos que se están
realizando para que sean estables y duraderas.
Pieza clave del cambio energético
La perovskita es un material barato y, como en su proceso de
fabricación no es necesario emplear altas temperaturas, es posible fabricar las
células solares incluso sobre substratos flexibles.
Al ser nanomateriales con gran capacidad para absorber la
radicación solar, los dispositivos finales son ligeros y semitransparentes, ya
que no es necesaria una capa gruesa de material. Y debido a la alta eficiencia
de conversión energética, incluso en condiciones lumínicas bajas pueden llegar
a ser empleadas como ventanas inteligentes en arquitectura y en interiores para
suministrar electricidad a los dispositivos móviles que tanto empleamos
actualmente, como son los teléfonos inteligentes, portátiles, etc.
Y por si todo esto fuera poco, la perovskita aun nos ha
sorprendido una vez más. No solo se presenta como un sustituto del silicio,
sino también como un aliado. Al unir ambos materiales se ha podido alcanzar una
eficiencia de conversión del 29,15 % y más de 300 horas de funcionamiento,
muy cerca del límite teórico que es de un 33 %.
Esta combinación permite aumentar la eficiencia, ya que cada
material absorbe ondas de luz a diferentes longitudes; el silicio absorbe en el
rojo y en el infrarrojo y la perovskita mayoritariamente en el verde, azul y
ultravioleta. Por eso, su combinación hace que se aproveche prácticamente toda
la radiación solar que llega a la Tierra desde el Sol.
Actualmente los paneles solares comerciales, que cada vez se ven
más en los tejados de nuestras casas, están basados en silicio cristalino o
arseniuro de galio, que tienen un precio elevado. Siguen predominando estos
materiales porque el escalado industrial de las células solares de perovskita
(para la producción de paneles solares) todavía no está desarrollado plenamente.
No obstante, las células solares de perovskita van a desempeñar un
papel crucial en el necesario cambio energético al que se enfrenta actualmente
la sociedad.
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