Una capa fina y ligera de óxido de silicio protege a las perovskitas contra la radiación en el espacio y contra los elementos en la Tierra

Una capa protectora ultrafina resulta suficiente para proteger una célula solar de perovskita de los efectos nocivos del espacio y endurecerla contra los factores ambientales de la Tierra, según una investigación recién publicada por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU.****

La investigación del NREL, financiada por el Fondo para la Mejora de la Capacidad Energética Operativa (OECIF) del Departamento de Defensa, se realizó para el Laboratorio de Investigación de las Fuerzas Aéreas (AFRL) con el fin de desarrollar fuentes de energía innovadoras y de bajo coste para abastecer a las fuerzas armadas de todo el mundo.

La investigación es el último esfuerzo por determinar la eficacia de las perovskitas para su uso en aplicaciones espaciales, donde estarían expuestas a protones, partículas alfa, oxígeno atómico y otros factores de estrés. La posibilidad de utilizar perovskitas para generar energía en el espacio es atractiva porque ofrecen una opción más barata y ligera que otras tecnologías, con el potencial de alcanzar eficiencias similares a las de las actuales tecnologías fotovoltaicas espaciales.

Al igual que en la Tierra, las células solares de perovskita deben tener una durabilidad adecuada. Sin embargo, el entorno espacial es muy diferente. Mientras que en la Tierra los mayores retos están relacionados con la meteorología, en el espacio las perovskitas deben hacer frente a los problemas derivados del bombardeo de radiación y las oscilaciones extremas de temperatura. Las perovskitas muestran signos de mejor tolerancia a la radiación que muchas otras células solares, pero aún quedan muchas pruebas por realizar.

Exposición a la radiación

El año pasado, los investigadores realizaron simulaciones para demostrar cómo afectaría a las perovskitas la exposición a la radiación en el espacio. Determinaron que la tecnología de nueva generación funcionaría en el espacio, pero señalaron la necesidad de encapsular la célula de algún modo para proporcionarle mayor protección.

En la investigación de seguimiento, Ahmad Kirmani, autor principal del último artículo de Nature Energy, afirmó que las simulaciones demostraban que una capa de óxido de silicio de una micra de grosor preservaría la eficiencia y aumentaría la vida útil de las células solares de perovskita en el espacio. A modo de comparación, la capa de micras de grosor es unas 100 veces más fina que un cabello humano normal.

Según Kirmani, la capa de óxido de silicio podría reducir en más de un 99% el peso de las barreras contra la radiación convencionales utilizadas en otras células solares y constituye un primer paso hacia el diseño de envases ligeros y de bajo coste para las perovskitas.

Los protones de alta energía atraviesan las células solares de perovskita sin causar grandes daños. Los protones de baja energía, sin embargo, son más abundantes en el espacio y causan más estragos en las células de perovskita, desplazando los átomos de su lugar y provocando un descenso constante de los niveles de eficiencia. Los protones de menor energía interactúan con la materia mucho más fácilmente y la adición de la capa de óxido de silicio protegió a la perovskita de los daños causados incluso por los protones de baja energía.

"Pensábamos que sería imposible que el óxido de silicio protegiera contra las partículas de largo alcance que penetran completamente, como los protones de alta energía y las partículas alfa", explica Kirmani. "Sin embargo, la capa de óxido resultó ser una barrera sorprendentemente buena también contra esas".

Resistencia

Los investigadores descubrieron que la exposición a una corriente de protones de baja energía hacía que las células solares de perovskita no protegidas perdieran sólo un 15% de su eficiencia inicial. Una mayor concentración de partículas destruyó las células, mientras que las perovskitas protegidas demostraron lo que los científicos describieron como "una notable resistencia". Con la barrera simple, las células no mostraron ningún daño.

Además de hacer las células más resistentes en el espacio, los investigadores también probaron cómo la barrera podría aportar beneficios en aplicaciones más convencionales. Expusieron las células solares de perovskita a un entorno de humedad y temperatura incontroladas durante varios días para imitar las condiciones de almacenamiento. Las células protegidas conservaron su eficiencia inicial del 19%, mientras que las no protegidas mostraron una degradación significativa, del 19,4% al 10,8%. La capa de óxido también proporcionó protección cuando se expusieron al agua otras composiciones de perovskita típicamente más sensibles a la humedad.

Además, las células solares de perovskita se sometieron a una cámara de pruebas en la que se bombardearon con fotones ultravioleta similares a los del entorno de la órbita terrestre baja. Los fotones interactuaron con el oxígeno para crear oxígeno atómico. Las células sin protección se destruyeron al cabo de ocho minutos. Las células protegidas conservaron su eficacia inicial a los 20 minutos y sólo experimentaron un ligero descenso a los 30 minutos.

Las simulaciones y experimentos revelaron que, al reducir los daños por radiación, la vida útil de las células solares protegidas utilizadas en las órbitas terrestres y el espacio profundo pasaría de meses a años.

"La eficiencia de la conversión de potencia y la estabilidad operativa de las células solares de perovskita han sido hasta ahora las dos principales áreas de interés para la comunidad", afirmó. "Hemos avanzado mucho y creo que hemos llegado lejos, hasta el punto de que podríamos estar bastante cerca de alcanzar los objetivos necesarios para la industrialización. Sin embargo, para permitir realmente esta entrada en el mercado, el embalaje es el siguiente objetivo".

Dado que las células solares de perovskita pueden depositarse sobre un sustrato flexible, la tecnología emergente, unida a la capa protectora de óxido de silicio, permite su uso para diversas aplicaciones terrestres, como la alimentación de drones.