Aunque las células solares de perovskita son más eficientes y menos costosas que las células solares de silicio tradicionales, hasta ahora la perovskita se ha visto limitada por su falta de estabilidad a largo plazo. Normalmente, las células solares de perovskita utilizan una capa de recubrimiento a base de amonio para mejorar su eficiencia. Aunque son efectivas, las capas a base de amonio se degradan bajo estrés ambiental, como el calor y la humedad.
Científicos de la Universidad Northwestern (EE.UU.) han desarrollado una nueva capa protectora más robusta, a base de amidinio, que prolonga significativamente la vida útil de las células solares de perovskita, haciéndolas más prácticas para aplicaciones fuera del laboratorio.
En los experimentos se demostró que el nuevo recubrimiento era diez veces más resistente a la descomposición que los recubrimientos convencionales a base de amonio. Aún mejor: las células recubiertas de amidinio también triplicaron su vida útil T90, que es el tiempo que tarda la eficiencia de una célula en caer un 90% desde su valor inicial cuando se expone a condiciones difíciles.
« Llevamos mucho tiempo trabajando en la estabilidad de las células solares de perovskita. dice Bin Chen de Northwestern, quien codirigió el estudio. “ Hasta ahora, la mayoría de los informes se centran en mejorar la estabilidad del propio material de perovskita, sin considerar las capas protectoras. Al mejorar la capa protectora, pudimos aumentar el rendimiento general de las células solares. »
« Este trabajo aborda uno de los principales obstáculos para la adopción generalizada de células solares de perovskita: la estabilidad en condiciones del mundo real. dijo Mercouri Kanatzidis de Northwestern, quien codirigió el estudio. “ Al fortalecer químicamente las capas protectoras, hemos mejorado significativamente la durabilidad de estas células sin comprometer su eficiencia excepcional, acercándonos a una alternativa práctica y de bajo costo a las células fotovoltaicas basadas en silicio. »
Utilizado durante décadas, el silicio es el material más utilizado para la capa absorbente de luz de las células solares. Aunque el silicio es duradero y fiable, su producción es costosa y su eficiencia está llegando a su límite máximo. En busca de una célula solar menos costosa y más eficiente, los investigadores han comenzado recientemente a explorar las perovskitas, una familia de compuestos cristalinos.
Aunque parece prometedora como alternativa rentable al silicio, la perovskita tiene una vida útil relativamente corta. La exposición prolongada a la luz solar, las fluctuaciones extremas de temperatura y la humedad son factores que hacen que las células solares de perovskita se degraden con el tiempo.
Para superar este problema, los investigadores agregaron ligandos de amidinio, moléculas estables que pueden interactuar con la perovskita para proporcionar pasivación de defectos y efectos protectores duraderos. Las moléculas a base de amonio tienen un átomo de nitrógeno rodeado por tres átomos de hidrógeno y un grupo que contiene carbono, mientras que las moléculas a base de amidinio incluyen un átomo de carbono central unido a dos grupos amino. Debido a que su estructura permite que los electrones se distribuyan uniformemente, las moléculas de amidinio son más resistentes en condiciones adversas.
« La mayoría de las células solares de perovskita modernas generalmente cuentan con ligandos de amonio como capa de pasivación. “, explica el Sr. Yang. “ Pero el amonio tiende a descomponerse bajo estrés térmico. Hicimos química para convertir el amonio inestable en amidinio más estable ».
Los investigadores llevaron a cabo esta conversión mediante un proceso conocido como amidinación, en el que el grupo amonio se reemplaza por un grupo amidinio más estable. Esta innovación ayudó a evitar que las células de perovskita se degradaran con el tiempo, especialmente cuando se exponen a calor extremo.
La célula solar resultante alcanzó una impresionante rentabilidad del 26,3%lo que significa que logró convertir el 26,3% de la luz solar absorbida en electricidad. La célula solar recubierta también conservó el 90% de su eficiencia inicial después de 1100 horas de pruebas en condiciones difíciles, lo que demuestra una vida útil del T90 tres veces mayor que antes cuando se expone al calor y la luz.
Estos experimentos son el último ejemplo de mejora del rendimiento de las células solares de perovskita en el laboratorio de Sargent. En 2022, el equipo de Sargent desarrolló una célula solar de perovskita que batió récords de eficiencia energética y voltaje. En 2023, su equipo presentó una célula solar de perovskita de estructura invertida, que también mejoró su eficiencia energética. A principios de este año, el grupo de Sargent incorporó cristales líquidos para minimizar los defectos en las películas de perovskita, lo que mejoró el rendimiento del dispositivo.
« Las células solares de perovskita pueden contribuir a la descarbonización del suministro eléctrico una vez finalicemos su diseño, consigamos la unión de rendimiento y sostenibilidad, y escalemos los dispositivos dijo Sargent, quien dirige el Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía. “ El principal obstáculo para la comercialización de células solares de perovskita es su estabilidad a largo plazo. Pero debido a su liderazgo de décadas, el silicio conserva una ventaja en ciertas áreas, en particular la estabilidad. Estamos trabajando para cerrar esta brecha. »
Esta investigación está directamente vinculada al pilar Genera, uno de los seis pilares de descarbonización del Instituto Trienens. Bajo este pilar, Northwestern se compromete a crear una nueva clase de generación de energía solar centrándose en células solares multiunión de alta eficiencia y materiales de células solares de próxima generación. El Sr. Kanatzidis es el copresidente docente de este pilar y el Sr. Chen es el líder de implementación.
El estudio, titulado “ La amidinación de ligandos para la pasivación química y por efecto de campo estabiliza las células solares de perovskita ”, contó con el apoyo de First Solar, el Departamento de Comercio, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Departamento de Energía de EE. UU.
Leyenda de la ilustración: Yi Yang, primer autor del estudio, prueba una muestra de la nueva célula solar del equipo en el laboratorio de la Universidad Northwestern. Crédito: Universidad del Noroeste
Artículo : ‘La amidinación de ligandos para la pasivación química y por efecto de campo estabiliza las células solares de perovskita’ / ( 10.1126/science.adr2091 ) – Northwestern University – Publication dans la revue Science
