Un equipo de investigación internacional que incluye al profesor Nelson Dzade de Penn State ha informado sobre un nuevo método para crear células solares más duraderas que aún logran una alta eficiencia al convertir la luz solar en electricidad. Crédito: Nelson Dzade
Los materiales solares de próxima generación ofrecen una alternativa más asequible y respetuosa con el medio ambiente a las células solares de silicio convencionales, pero sigue habiendo desafíos para lograr que los dispositivos sean lo suficientemente duraderos como para soportar las condiciones del mundo real. Una nueva técnica desarrollada por un equipo de científicos internacionales podría simplificar el desarrollo de células solares de perovskita eficientes y estables, llamadas así por su estructura cristalina única, que sobresale en la absorción de la luz visible.
Los científicos, incluido el profesor de Penn State Nelson Dzade, informaron en la revista Nature Energy sobre su nuevo método para crear células solares de perovskita más duraderas que aún alcanzan una alta eficiencia del 21,59% al convertir la luz solar en electricidad.
Beneficios y desafíos de las perovskitas
Las perovskitas son una tecnología solar prometedora porque las células pueden fabricarse a temperatura ambiente utilizando menos energía que los materiales de silicio tradicionales, lo que las hace más asequibles y más sostenibles de producir, según Dzade, profesor asistente de ingeniería energética y mineral en John and Willie. Familia Leona. Departamento de Ingeniería Energética y Mineral y coautor del estudio. Pero los principales candidatos utilizados para fabricar estos dispositivos, haluros metálicos híbridos orgánicos-inorgánicos, contienen componentes orgánicos que son susceptibles a la humedad, el oxígeno y el calor, y la exposición a condiciones del mundo real puede conducir a una rápida degradación del rendimiento, dijeron los científicos.
Una solución pasa por recurrir a materiales de perovskita totalmente inorgánicos, como el yoduro de cesio y plomo, que tiene buenas propiedades eléctricas y una tolerancia superior a los factores ambientales. Sin embargo, este material es polimórfico, lo que significa que tiene múltiples fases con diferentes estructuras cristalinas. Dos de las fases fotoactivas son buenas para las células solares, pero pueden convertirse fácilmente en una fase no fotoactiva indeseable a temperatura ambiente, lo que introduce defectos y degrada la eficiencia de las células solares, dijeron los científicos.
Técnica innovadora de heterounión de fase.
Los científicos combinaron los dos polimorfos fotoactivos de yoduro de cesio y plomo para formar una heterounión de fase, que puede suprimir la transformación a la fase indeseable, dijeron los científicos. Las heterouniones se forman apilando diferentes materiales semiconductores, como capas en una célula solar, con diferentes propiedades optoelectrónicas. Estas uniones en los dispositivos solares se pueden adaptar para ayudar a absorber más energía del sol y convertirla en electricidad de manera más eficiente.
«Lo hermoso de este trabajo es que muestra que la fabricación de células solares de heterounión en fase utilizando dos polimorfos del mismo material es el camino a seguir», dijo Dzade. “Mejora la estabilidad del material y evita la interconversión entre las dos fases. La formación de una interfaz coherente entre las dos fases permite que los electrones fluyan fácilmente a través del dispositivo, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía. Eso es lo que demostramos en este trabajo”.
Resultados y colaboraciones prometedores
Los investigadores fabricaron un dispositivo que logró una eficiencia de conversión de energía del 21,59%, una de las más altas reportadas para este tipo de enfoque, y una excelente estabilidad. Los dispositivos mantuvieron más del 90% de su eficiencia inicial después de 200 horas de almacenamiento en condiciones ambientales, dijo Dzade.
«Cuando se pasó de un laboratorio a un módulo solar del mundo real, nuestro diseño mostró una eficiencia de conversión de energía del 18,43% para un área de celda solar de más de 18,08 centímetros cuadrados (7 pulgadas cuadradas)», dijo Dzade. «Estos resultados iniciales resaltan el potencial de nuestro enfoque para desarrollar módulos de células solares de perovskita ultragrandes y evaluar de forma fiable su estabilidad».
Dzade modeló la estructura y las propiedades electrónicas de la heterounión a escala atómica y descubrió que al juntar las dos fases fotoactivas se creaba una estructura de interfaz estable y coherente, que promueve la separación y la transferencia eficiente de carga, propiedades deseables para lograr dispositivos solares de alta eficiencia.
Los colegas de Dzade en la Universidad de Chonnam en Corea del Sur desarrollaron un método único de deposición dual para fabricar el dispositivo: depositando una fase con una técnica de aire caliente y la otra con evaporación térmica de triple fuente. Agregar pequeñas cantidades de aditivos moleculares y orgánicos durante el proceso de deposición mejoró aún más las propiedades eléctricas, la eficiencia y la estabilidad del dispositivo, dijo Sawanta S. Mali, profesora de investigación en la Universidad de Chonnam en Corea del Sur y autora de la parte principal del artículo.
«Creemos que la técnica de deposición dual que desarrollamos en este trabajo tendrá implicaciones importantes para la fabricación de células solares de perovskita estables y altamente eficientes en el futuro», dijo Nelson Dzade, profesor asistente de energía e ingeniería mineral en la Familia John y Willie del Departamento de Energía. Leona. e Ingeniería Mineral y coautor del estudio.
Los investigadores dijeron que la técnica de deposición dual podría allanar el camino para el desarrollo de células solares adicionales basadas exclusivamente en perovskitas inorgánicas u otras composiciones de haluros de perovskita. Además de ampliar la técnica a diferentes composiciones, el trabajo futuro implicará hacer que las células de heterounión de la fase actual sean más duraderas en condiciones del mundo real y ampliarlas hasta el tamaño de los paneles solares tradicionales, dijeron los investigadores.
«Con este enfoque, creemos que será posible, en un futuro próximo, aumentar la eficiencia de este material más allá del 25%», afirmó Dzade. «Y cuando hagamos eso, la comercialización estará muy cerca».
Referencia: “Células solares de perovskita de heterounión en fase totalmente inorgánica que superan el 21,5% de eficiencia” por Sawanta S. Mali, Jyoti V. Patil, Jiang-Yang Shao, Yu-Wu Zhong, Sachin R. Rondiya, Nelson Y. Dzade y Chang Kook Hong , 31 de julio de 2023, La energía de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41560-023-01310-y
También contribuyeron Chang Kook Hong, profesor, y Jyoti Patil, profesora de investigación, en la Universidad Nacional de Chonnam, Corea del Sur; Yu-Wu Zhong, profesor, y Jiang-Yang Shao, investigador del Instituto de Química de la Academia de Ciencias de China; y Sachin Rondiya, profesor asistente del Instituto Indio de Ciencias.
La Fundación Nacional de Investigación de Corea apoyó este trabajo. Las simulaciones computacionales se realizaron en la supercomputadora Roar del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos de Penn State.
