Un equipo de investigación de la Universidad de Brown ha dado un paso importante hacia la mejora de la confiabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita, una tecnología de energía limpia emergente. En un estudio publicado en la revista Science , el equipo demuestra un "pegamento molecular" que evita que una interfaz clave dentro de las células se degrade. El tratamiento aumenta drásticamente la estabilidad y confiabilidad de las células a lo largo del tiempo, al mismo tiempo que mejora la eficiencia con la que convierten la luz solar en electricidad.
"Ha habido grandes avances en el aumento de la eficiencia de conversión de energía de las células solares de perovskita", dijo Nitin Padture, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown y autor principal de la nueva investigación. “Pero el último obstáculo que hay que superar antes de que la tecnología pueda estar ampliamente disponible es la confiabilidad: hacer celdas que mantengan su rendimiento a lo largo del tiempo. Esa es una de las cosas en las que ha estado trabajando mi grupo de investigación y nos complace informar de algunos avances importantes".
Las perovskitas son una clase de materiales con una estructura atómica cristalina particular. Hace poco más de una década, los investigadores demostraron que las perovskitas son muy buenas para absorber la luz, lo que provocó una avalancha de nuevas investigaciones sobre las células solares de perovskita. La eficiencia de esas células ha aumentado rápidamente y ahora rivaliza con la de las células de silicio tradicionales. La diferencia es que los absorbentes de luz de perovskita se pueden fabricar casi a temperatura ambiente, mientras que el silicio debe crecer a partir de una masa fundida a una temperatura cercana a los 2700 grados Fahrenheit. Las películas de perovskita también son unas 400 veces más delgadas que las obleas de silicio. La relativa facilidad de los procesos de fabricación y el uso de menos material significa que las células de perovskita pueden fabricarse potencialmente a una fracción del costo de las células de silicio.
Si bien las mejoras de eficiencia en las perovskitas han sido notables, dice Padture, hacer que las células sean más estables y confiables sigue siendo un desafío. Parte del problema tiene que ver con las capas necesarias para hacer que una célula funcione. Cada celda contiene cinco o más capas distintas, cada una de las cuales realiza una función diferente en el proceso de generación de electricidad. Dado que estas capas están hechas de diferentes materiales, responden de manera diferente a las fuerzas externas. Además, los cambios de temperatura que ocurren durante el proceso de fabricación y durante el servicio pueden hacer que algunas capas se expandan o contraigan más que otras. Eso crea tensiones mecánicas en las interfaces de las capas que pueden hacer que las capas se desacoplen. Si las interfaces se ven comprometidas, el rendimiento de la celda se desploma.
La más débil de esas interfaces es la que se encuentra entre la película de perovskita utilizada para absorber la luz y la capa de transporte de electrones, que mantiene la corriente fluyendo a través de la celda.
“Una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil, e identificamos esta interfaz como la parte más débil de toda la pila, donde es más probable que falle”, dijo Padture, quien dirige el Instituto de Innovación Molecular y Nanoescala en Brown. "Si podemos fortalecer eso, entonces podemos comenzar a realizar mejoras reales en la confiabilidad".
Para ello, Padture se basó en su experiencia como científico de materiales, desarrollando recubrimientos cerámicos avanzados utilizados en motores de aviones y otras aplicaciones de alto rendimiento. Él y sus colegas comenzaron a experimentar con compuestos conocidos como monocapas autoensambladas o SAM.
"Esta es una gran clase de compuestos", dijo Padture. “Cuando los depositas en una superficie, las moléculas se ensamblan en una sola capa y se erigen como pelos cortos. Al usar la formulación correcta, puede formar fuertes lazos entre estos compuestos y todo tipo de superficies diferentes ".
Padture y su equipo encontraron que una formulación de SAM con un átomo de silicio en un lado y un átomo de yodo en el otro, podría formar enlaces fuertes tanto con la capa de transporte de elección (que generalmente está hecha de óxido de estaño) como con la capa absorbente de luz de perovskita . El equipo esperaba que los enlaces formados por estas moléculas pudieran fortalecer la interfaz de capas. Y tenían razón.
“Cuando presentamos los SAM a la interfaz, descubrimos que aumenta la resistencia a la fractura de la interfaz en aproximadamente un 50%, lo que significa que las grietas que se forman en la interfaz tienden a no propagarse muy lejos”, dijo Padture. "Así que, en efecto, los SAM se convierten en una especie de pegamento molecular que mantiene unidas las dos capas".
Las pruebas de la función de las células solares mostraron que las SAM aumentaron drásticamente la vida funcional de las células de perovskita. Las células no SAM preparadas para el estudio retuvieron el 80% de su eficiencia máxima durante alrededor de 700 horas de pruebas de laboratorio. Mientras tanto, las células SAM seguían funcionando bien después de 1300 horas de pruebas. Con base en esos experimentos, los investigadores proyectan que la vida útil de las células SAM con un 80% de eficiencia es de unas 4.000 horas.
"Una de las otras cosas que hicimos, que la gente normalmente no hace, es que abrimos las células después de las pruebas", dijo Zhenghong Dai, estudiante de doctorado de Brown y primer autor de la investigación. “En las celdas de control sin SAM, vimos todo tipo de daños, como huecos y grietas. Pero con los SAM, las interfaces reforzadas se veían realmente bien. Fue una mejora espectacular que realmente nos sorprendió ".
Es importante destacar que la mejora en la tenacidad no se produjo a costa de la eficiencia de conversión de energía, dijo Padture. De hecho, los SAM realmente mejoraron la eficiencia de la celda en una pequeña cantidad. Eso ocurrió porque los SAM eliminaron pequeños defectos moleculares que se forman cuando las dos capas se unen en ausencia de SAM.
“La primera regla para mejorar la integridad mecánica de los dispositivos funcionales es 'no hacer daño'”, afirmó Padture. "Para que pudiéramos mejorar la confiabilidad sin perder eficiencia, e incluso mejorar la eficiencia, fue una agradable sorpresa".
Los SAM en sí mismos están hechos de compuestos fácilmente disponibles y se aplican con un proceso de recubrimiento por inmersión a temperatura ambiente. Por lo tanto, la adición de SAM potencialmente agregaría poco al costo de producción.
Los investigadores planean aprovechar este éxito. Ahora que han fortificado el eslabón más débil en la pila de células solares de perovskita, les gustaría pasar al siguiente más débil, luego al siguiente y así sucesivamente hasta que hayan fortificado toda la pila. Ese trabajo implicará fortalecer no solo las interfaces, sino también las propias capas de material. Recientemente, el grupo de investigación de Padture ganó una subvención de $ 1.5 millones del Departamento de Energía de EEUU para ampliar su investigación.
“Este es el tipo de investigación que se requiere para producir células económicas, eficientes y que funcionen bien durante décadas”, dijo Padture.
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08/05/2021