Las células solares de perovskita son una de las grandes promesas de la próxima generación de tecnología fotovoltaica: son muy eficientes, baratas de fabricar, ligeras y versátiles. Pero tienen un talón de Aquiles conocido. Su rendimiento va disminuyendo poco a poco cuando se exponen durante mucho tiempo a la luz solar, un fenómeno que los científicos llaman fotodegradación.
Un equipo de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), en colaboración con científicos de la Universidad de Zhejiang, ha identificado un mecanismo que acelera ese envejecimiento y ha desarrollado una solución para frenarlo. Los dispositivos tratados alcanzaron una eficiencia de conversión del 26,55 % y conservaron más del 90 % de su rendimiento inicial tras más de 2.200 horas de funcionamiento continuo bajo una iluminación equivalente a un sol.
Quién es
La investigación la firman la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), en Hong Kong, y la Universidad de Zhejiang, en China. Entre los investigadores figura Yang Guang, a quien se atribuye la valoración del equipo sobre el alcance del hallazgo.
Un problema que va más allá de los defectos
La estabilidad es el principal obstáculo para la comercialización de estas células. Los paneles solares deben funcionar de forma fiable durante muchos años a la intemperie, y la fotodegradación es una barrera para su llegada al mercado.
Hasta ahora, buena parte de los esfuerzos científicos se había centrado en reducir los defectos del material. El nuevo estudio apunta a otra causa: la degradación no depende únicamente de esos defectos, sino también de cómo interactúan entre sí los pequeños cristales que forman la estructura de la célula. La apuesta de la investigación consiste, por tanto, en mirar más allá de cada cristal por separado y estudiar la relación entre ellos.
Según Yang Guang, los trabajos anteriores se habían centrado sobre todo en reducir el número de defectos, mientras que este estudio demuestra que las pérdidas de carga desiguales entre cristales vecinos son otra de las causas fundamentales de su envejecimiento durante el funcionamiento.
El estudio se basa en resultados experimentales de dispositivos tratados con el compuesto m-F-PEABr, y su foco está en las interacciones entre los granos de la capa activa, a diferencia de los trabajos previos.
Qué ocurre dentro de la célula
La capa que genera electricidad está formada por numerosos cristales diminutos, llamados granos, cuyas superficies presentan distintas orientaciones. En las células de perovskita con facetas mixtas, cristales con orientaciones diferentes entran en contacto a través de zonas conocidas como límites de grano. Es en esas uniones donde el estudio sitúa el problema.
Cuando la luz incide sobre la célula, el material genera electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas), que son los que permiten producir electricidad. El problema es que las cargas pueden quedar atrapadas en defectos de las zonas de unión entre cristales, donde pueden neutralizarse. Eso reduce la electricidad producida y favorece el deterioro.
El equipo observó que, cuando entran en contacto las orientaciones cristalinas (100) y (111), las pérdidas de carga no se reparten de manera uniforme a ambos lados de la unión. La zona de orientación (111) concentra más defectos, sobre todo vacíos por la ausencia de determinados iones de formamidinio (FA). Esa acumulación provoca una concentración anómala de huecos en esa región y acelera su degradación.
Lo llamativo es que los cristales con orientación (111) son, por naturaleza, más resistentes al envejecimiento provocado por la luz. Sin embargo, el desequilibrio de cargas hace que se deterioren más rápido de lo esperado. Así, el problema no está en la resistencia intrínseca de cada cristal, sino en lo que ocurre cuando dos orientaciones distintas quedan unidas.
La solución: moléculas que tapan los huecos
Para corregirlo, los investigadores desarrollaron un tratamiento que incorpora el compuesto 3-fluorofeniletilamonio bromuro (m-F-PEABr). Sus moléculas son demasiado grandes para penetrar en los cristales, de modo que se concentran en las uniones entre ellos. El tratamiento actúa, por tanto, en el punto exacto donde el estudio localiza los defectos.
La parte cargada positivamente de las moléculas ocupa los espacios vacíos en las uniones de orientación (111), y el componente con flúor ayuda a mantener el compuesto anclado. Con ello se reparan los defectos y se equilibran las pérdidas de carga entre las dos orientaciones cristalinas, lo que mejora el rendimiento y la estabilidad.
Según el equipo, equilibrar estas pérdidas permite mejorar al mismo tiempo la eficiencia y la estabilidad de las células. Para medir la durabilidad se utiliza la vida útil operativa T90, que indica el tiempo durante el cual una célula mantiene al menos el 90 % de su rendimiento inicial. Es esa medida la que sirve para expresar los resultados del tratamiento en términos de permanencia en el tiempo.
Qué significa y qué viene ahora
La estabilidad es, según el propio planteamiento del estudio, el principal obstáculo para la comercialización de estas células. Por eso, el avance abre una nueva vía para desarrollar dispositivos más duraderos y comercialmente viables. Al situar la causa del envejecimiento en la interacción entre cristales, el trabajo aporta un punto de partida distinto al de la reducción de defectos por sí sola.
Aun así, queda trabajo por delante. Será necesario evaluar el comportamiento y la durabilidad de estas células en condiciones reales y a mayor escala. Hasta que eso ocurra, los resultados se limitan a los dispositivos tratados en el laboratorio con el compuesto m-F-PEABr.
Por la redacción de GUAY.news.
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