Perovskitas, ¿el “Santo Grial” de la energía solar?

De cara a superar las limitaciones de la tecnología del silicio, desde hace pocos años se está investigando muy activamente en las posibilidades que ofrece la tecnología de unos materiales denominados perovskitas. Las perovskitas (una familia de materiales que incorpora en su composición elementos orgánicos e inorgánicos) han supuesto una de las mayores sorpresas en el campo de la investigación en dispositivos fotovoltaicos, ya que su eficiencia se ha incrementado sustancialmente en sólo una década. Si a eso se une que estas células pueden fabricarse con procesos industriales muy económicos, estamos ante lo que puede ser una auténtica revolución en el campo de la energía solar. Lo describo a continuación.

1.- ¿Qué hace que las células solares basadas en perovskita sean tan especiales?

El Nunca antes se había avanzado tan rápido con la tecnología de células solares como con las células basadas en perovskita. Desde el primer dispositivo referido en 2009 hasta hoy, que tenemos dispositivos estables con más de un 25% de eficiencia, este factor se ha multiplicado por 6. La figura muestra esa evolución, en comparación con la de las tecnologías fotovoltaicas comerciales:

El proceso de producción también es relativamente simple, el material es barato y está disponible en grandes cantidades. Además, las células solares se pueden hacer sobre sustratos flexibles.

Las perovskitas pertenecen a una clase de materiales que se encuentran en la naturaleza y que también se pueden sintetizar en un laboratorio. El primer miembro de la familia de las perovskitas fue el titanato de calcio (CaTiO₃), extraído en 1839 por el químico alemán Gustav Rose durante una expedición a los Montes Urales. Llamó al mineral “perovskita” en honor al mineralogista ruso Lev Perovski.

Todos los materiales con la misma estructura cristalina que el titanato de calcio, que fueron posteriormente descubiertos o sintetizados, recibieron el nombre de perovskita. Esta familia de materiales es enorme, se pueden utilizar más del 90% de los metales de la Tabla Periódica para sintetizar alguna perovskita. La composición química de los que se utilizan en las células solares es CH₃-NH₃-PbX₃, donde X es un átomo de un elemento halógeno -I, Br o Cl-.

2.- ¿Aparecerán pronto en el mercado fotovoltaico?

Decenas de empresas de todo el mundo están adaptando sus procesos de producción para hacerlos compatibles con estos dispositivos y se espera que tanto Europa como China jueguen un papel destacado en esta nueva tecnología. Tal y como indiqué en una entrevista publicada en este mismo medio, la compañía Oxford PV, anuncia el comienzo de la producción de células solares basadas en la unión de silicio con perovskita para los próximos meses.

Hay dos tipos de células solares basadas en perovskita que hay que mencionar. Como digo en el párrafo anterior, una es la unión en un único dispositivo de una célula de silicio con una célula de perovskita colocada encima de la primera, conocida como célula solar “tándem”. Las células solares de silicio están llegando a su límite en términos de eficiencia de conversión; situar encima de la célula de silicio una de perovskita puede aumentar significativamente la eficiencia sin cambiar drásticamente el proceso de producción. Esto se debe a que las propiedades de absorción de la radiación solar por parte de la célula de silicio y de la construida con perovskita son complementarias, lo que hace que su unión cree una sinergia casi perfecta: la célula de perovskita, situada en la parte superior del tandem, absorbe (y convierte en energía eléctrica)  las longitudes de onda cortas del espèctro del Sol (es decir, los colores amarillo, verde, azul, violeta y ultravioleta), mientras que la célula de silicio hace lo propio con la parte de longitudes de onda largas del espectro solar (esencialmente el naranja, el rojo y una parte del infrarrojo), que la célula de perovskita no absorbe. Fruto de ese acoplo óptimo entre ambas células, hace pocos días se ha anunciado un dispositivo similar al que se muestra en la figura siguiente con una eficiencia de conversión record para este dispositivo de 29.15%, dato que supera en un 2.5% a la máxima eficiencia obtenida con una célula de silicio (26.6%), lo que es una diferencia muy significativa:

La otra opción son las denominadas células de perovskita de lámina delgada, que se podrían utilizar en diferentes aplicaciones integradas, como por ejemplo automóviles, materiales de construcción, ventanas e incluso ropa. Como esto requiere un enfoque completamente nuevo para el proceso de fabricación e integración, es probable que este tipo de células basadas en perovskita aparezca en el mercado en años venideros:

El “optimismo” con esta tecnología se debe a varias ventajas adicionales:

• Abundancia de los constituyentes

El N, C, H, Pb, etc. son muy abundantes, con lo que la producción de paneles a gran escala no estaría limitada por este factor.

• Excelentes propiedades físicas

Las perovskitas tienen propiedades muy deseables para fabricar células solares: el material se obtiene con gran calidad estructural a muy bajas temperaturas y se obtienen elevados voltajes de operación (1.1-1.3 V) comparados con las células de silicio (0.6-0.7 V).

• Tecnología simple

La diferencia esencial entre las tecnologías de fabricación de las células de perovskita y las de silicio reside en el hecho de que los procesos de fabricación de las células de silicio son de alta temperatura, y con gran complejidad de las instalaciones, mientras que en el caso de las perovskitas, el equipamiento necesario para fabricarlas es sencillo y barato. En efecto, mediante la mezcla de disoluciones líquidas de los constituyentes, los fabricantes pueden depositar películas delgadas ligeras de perovskitas en cualquier sustrato, sin necesidad de recurrir a procesos de alta temperatura, lo que reduce en gran medida los costes de producción.

3.- ¿Las células solares de perovskita serán realmente más baratas que las ya muy baratas células de silicio?

Las células solares tándem de Silicio-Perovskita inicialmente serán más caras que las de silicio actuales porque se necesitan pasos de proceso y material adicionales en comparación con las células estándar. Sin embargo, el incremento de la eficiencia compensará considerablemente este costo adicional, lo que resultará en un precio del vatio de pico más bajo. Los módulos de células solares en tándem ciertamente ganarán la carrera a los módulos de silicio actuales en un plazo de tiempo breve. Como guía, el Libro Blanco de EPKI (European Perovskite Initiative) menciona alrededor de 20 c€/Wp durante los próximos 5 años con una reducción paulatina a 10 y tal vez incluso a 5 c€/Wp a medida que se avance en el desarrollo y en la eficiencia de las células tándem.

4.- ¿Qué inconvenientes tienen en la actualidad estas células?

La tecnología de perovskita se considera una tecnología fotovoltaica respetuosa con el medio ambiente, debido, entre otras cosas, al uso de materiales sintetizados en laboratorio, lo que implica que no se requieren procesos de extracción o de purificación complejos. Además,  la cantidad de material necesario para fabricarla es muy pequeña y la temperatura de proceso es muy baja. No obstante, tiene problemas importantes por resolver:

a) Inestabilidad de los dispositivos

Las células solares perovskitas son sensibles al oxígeno y al vapor de agua, lo que significa que la fabricación de los dispositivos puede requerir realizarse en atmósferas inertes y procesos de encapsulado de los módulos finales más costosos que los que se realizan en la actualidad con los módulos de silicio.

b) Toxicidad de alguno de los constituyentes

El material más utilizado hasta la fecha, CH₃NH₃PbI₃ contiene plomo, elemento altamente tóxico (es una peligrosa neurotoxina). El plomo se puede filtrar fuera de los paneles solares y contaminar el suelo y/o las aguas subterráneas del entorno, lo que es un freno evidente a su posible futura comercialización.

Con todo, unos números ayudan a poner en contexto esta cuestión: la cantidad de plomo que hay en una célula de perovskita, que tienen típicamente alrededor de 0.3 µm de espesor, es 1 g de yoduro de plomo/m². Esto está de acuerdo con la Directiva RoHS en cuanto a usos tolerables de materiales peligrosos. Como digo en el punto anterior, el problema puede resolverse mediante un encapsulado estanco o añadiendo sulfuros alrededor de las células, que se encargarían de atrapar el plomo que pudiera escaparse.

Conclusión

Si los problemas de estabilidad y contención del plomo a largo plazo se solventan y las eficiencias continúan mejorando, en pocos años veremos paneles comerciales de estos materiales, que pueden representar un cambio de paradigma en el mercado fotovoltaico. De hecho, muchos científicos involucrados en este campo consideran que la aparición de las perovskitas es un hecho tan relevante como lo fue la invención de la primera célula solar de silicio en 1954. Estamos en un momento de la tecnología fotovoltaica realmente apasionante.

Ignacio Mártil es Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física. Recientemente ha publicado el libro  “Energía solar. De la utopía a la esperanza” (Madrid, 2020, Guillermo Escolar Editor), donde aborda diversos aspectos relacionados con la tecnología, la ciencia, la economía y la historia de esta fuente energética.