Científicos de Stanford inventan una forma ultrarrápida de fabricar módulos solares de perovskita con una eficiencia del 15,5%

La mayoría de las células solares actuales están hechas con silicio refinado que convierte la luz solar en electricidad limpia. Desafortunadamente, el proceso de refino del silicio está lejos de ser limpio y requiere grandes cantidades de energía de las centrales eléctricas que emiten carbono.

En busca de una alternativa más ecológica al silicio, los investigadores se han centrado en las perovskitas de película delgada: células solares flexibles y de bajo costo que se pueden producir con una energía mínima y prácticamente sin emisiones de CO 2 .

Si bien las células solares de perovskita son prometedoras, es necesario abordar desafíos importantes antes de que se conviertan en algo común, entre ellos su inestabilidad inherente, que dificulta su fabricación a escala.

"La tecnología solar de perovskita se encuentra en una encrucijada entre la comercialización y un sinsentido", dijo el investigador postdoctoral de la Universidad de Stanford Nick Rolston . “Se están invirtiendo millones de dólares en nuevas empresas. Pero creo firmemente que en los próximos tres años, si no hay un gran avance que extienda la vida útil de las células, ese dinero comenzará a agotarse ".

Es por eso que el nuevo proceso de fabricación de perovskita desarrollado en la Universidad de Stanford es tan emocionante, dijo Rolston. En un nuevo estudio, publicado en la edición del 25 de noviembre de la revista Joule, él y sus colegas demuestran una forma ultrarrápida de producir células de perovskita estables y ensamblarlas en módulos solares que podrían alimentar dispositivos, edificios e incluso la red eléctrica.

"Este trabajo proporciona un nuevo hito para la fabricación de perovskita", dijo el autor principal del estudio Reinhold Dauskardt , profesor en la Escuela de Ingeniería de Stanford. “Resuelve algunas de las barreras más formidables para la fabricación a escala de módulos con las que la comunidad ha estado lidiando durante años”.

Muestras del tamaño de una uña

Las células solares de perovskita son películas delgadas de cristalino sintético hechas de productos químicos abundantes y baratos como el yodo, el carbono y el plomo.

Las células de película delgada son livianas, flexibles y se pueden cultivar en laboratorios al aire libre a temperaturas cercanas al punto de ebullición del agua, muy lejos de los hornos de 3.000 grados Fahrenheit (1.650 grados Celsius) necesarios para refinar el silicio industrial.

Los científicos han desarrollado células de perovskita que convierten el 25 por ciento de la luz solar en electricidad, una eficiencia de conversión comparable a la del silicio. Pero es poco probable que estas células experimentales se instalen pronto en los tejados.

“La mayor parte del trabajo realizado con perovskitas involucra áreas realmente pequeñas de células solares activas y utilizables. Por lo general, son una fracción del tamaño de la uña del meñique ”, dijo Rolston, quien codirigió el estudio con William Scheideler , un ex becario postdoctoral de Stanford que ahora está en el Dartmouth College.

Los intentos de hacer celdas más grandes han producido defectos y poros que disminuyen significativamente la eficiencia de las celdas. Y a diferencia de las células de silicio rígido, que duran de 20 a 30 años, la perovskita de película delgada eventualmente se degrada cuando se expone al calor y la humedad.

“Puede hacer un pequeño dispositivo de demostración en el laboratorio”, dijo Dauskardt. "Pero el procesamiento convencional de perovskita no es escalable para una fabricación rápida y eficiente".

Procesador de récord

Para abordar el desafío de la producción a gran escala, el equipo de Dauskardt implementó una tecnología patentada que inventaron recientemente llamada procesamiento de plasma de pulverización rápida.

Esta tecnología utiliza un dispositivo robótico con dos boquillas para producir rápidamente películas delgadas de perovskita. Una boquilla rocía una solución líquida de precursores químicos de perovskita sobre un panel de vidrio, mientras que la otra libera una ráfaga de gas ionizado altamente reactivo conocido como plasma.

“El procesamiento convencional requiere que hornee la solución de perovskita durante aproximadamente media hora”, dijo Rolston. “Nuestra innovación es utilizar una fuente de plasma de alta energía para convertir rápidamente la perovskita líquida en una célula solar de película delgada en un solo paso”.

Usando el procesamiento de rociado rápido, el equipo de Stanford pudo producir 12 metros de película de perovskita por minuto, aproximadamente cuatro veces más rápido de lo que se necesita para fabricar una celda de silicio.

“Logramos el mayor rendimiento de cualquier tecnología solar”, dijo Rolston. “Puede imaginarse grandes paneles de vidrio colocados sobre rodillos y produciendo continuamente capas de perovskita a velocidades nunca antes alcanzadas”. Además de una tasa de producción récord, las células de perovskita recién acuñadas lograron una eficiencia de conversión de energía del 18 por ciento.

“Queremos que este proceso sea lo más aplicable y útil en general como sea posible”, dijo Rolston. "Un sistema de tratamiento con plasma puede parecer elegante, pero es algo que se puede comprar comercialmente a un costo muy razonable".

El equipo de Stanford estimó que sus módulos de perovskita se pueden fabricar por unos 25 centavos por pie cuadrado, mucho menos de los 2,50 dólares por pie cuadrado necesarios para producir un módulo de silicio típico.

Módulos solares

Las células solares de silicio generalmente se conectan juntas en módulos encapsulados para aumentar su salida de energía y soportar condiciones climáticas adversas. Los fabricantes de perovskita eventualmente tendrán que construir módulos estables y eficientes para que sean comercialmente viables.

Con este fin, el equipo de Stanford creó con éxito módulos de perovskita que continuaron funcionando con una eficiencia del 15,5 por ciento incluso después de haber estado en el estante durante cinco meses.

Los módulos de silicio convencionales producen electricidad a un costo de alrededor de 5 centavos por kilovatio-hora. Para competir con el silicio, los módulos de perovskita tendrían que encapsularse en una capa resistente a la intemperie que mantenga la humedad durante al menos una década. El equipo de investigación ahora está explorando nuevas tecnologías de encapsulación y otras formas de mejorar significativamente la durabilidad.

“Si podemos construir un módulo de perovskita que dure 30 años, podríamos reducir el costo de la electricidad a menos de 2 centavos por kilovatio-hora”, dijo Rolston. “A ese precio, podríamos usar perovskitas para la producción de energía a gran escala. Por ejemplo, una granja solar de 100 megavatios".