Los ingenieros de la Universidad de Rice han demostrado que la producción de células solares altamente eficientes con capas de perovskita 2D y 3D se puede simplificar mediante solventes que permiten la deposición de una capa en solución sin destruir la otra. El trabajo resolvió un enigma de larga data en la fabricación de paneles solares estables y eficientes con perovskitas de haluro. El esfuerzo fue encontrar el diseño de solvente adecuado para aplicar una capa superior 2D de la composición y el grosor deseados sin destruir la capa 3D inferior (o viceversa). Una celda de este tipo transformaría la luz solar en electricidad en mayor medida que cualquiera de las dos capas solas, con una mejor estabilidad.
El ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite y su laboratorio en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice informaron sobre el éxito en la construcción de células solares 3D/2D delgadas que ofrecen una eficiencia de conversión de energía de 24,5 en Ciencias.
Esto es casi tan eficiente como la mayoría de las células solares disponibles comercialmente, dijo Mohite.
Mohite señaló: "Esto es realmente excelente para celdas flexibles de doble cara donde la luz entra por ambos lados y también para celdas de contacto traseras". Las perovskitas 2D absorben los fotones azules y visibles, mientras que el lado 3D absorbe el infrarrojo cercano”. El nuevo avance elimina en gran medida el último gran obstáculo para la producción comercial, agregó.
Las perovskitas son cristales de celosía cúbica conocidos por ser portadores de luz eficientes, pero los materiales tienden a sufrir estrés por la luz, la humedad y el calor. Mohite y muchos otros han trabajado durante años para hacer prácticas las células solares de perovskita.
Mohite explicó: “Este es un logro significativo en varios niveles. Una es que es fundamentalmente difícil hacer una bicapa procesada en solución cuando ambas capas son del mismo material. El problema es que ambos se disuelven en los mismos disolventes. Cuando coloca una capa 2D encima de una capa 3D, el solvente destruye la capa subyacente. Nuestro nuevo método resuelve este problema”.
Mohite explicó que las células de perovskita 2D son estables, pero menos eficientes para convertir la luz solar. Las perovskitas 3D son más eficientes pero menos estables. Su combinación incorpora las mejores características de ambos. “Esto conduce a eficiencias muy altas porque ahora, por primera vez en el campo, podemos crear capas con un control enorme. Esto nos permite controlar el flujo de carga y energía no solo para las celdas solares, sino también para los dispositivos optoelectrónicos y los LED”.
La eficiencia de las celdas de prueba expuestas al equivalente de laboratorio del 100 % de la luz solar durante más de 2000 horas “no se degrada ni siquiera en un 1 %”. Sin contar el sustrato de vidrio, las células tenían un grosor de aproximadamente 1 micra.
El mecanizado de solución se usa ampliamente en la industria e incorpora una serie de técnicas (recubrimiento por rotación, recubrimiento por inmersión, recubrimiento con cuchilla, recubrimiento con matriz ranurada y otras) para depositar material sobre una superficie en un líquido. A medida que el líquido se evapora, queda la capa pura.
La clave es el equilibrio entre dos propiedades del propio disolvente: su constante dieléctrica y el número donante de Gutmann. La constante dieléctrica es la relación entre la permeabilidad eléctrica del material y su espacio libre. Determina la capacidad de un solvente para disolver un compuesto iónico. El número de donantes es una medida de la capacidad de las moléculas de disolvente para donar electrones.
"Si encuentra la correlación entre ellos, resulta que hay alrededor de cuatro solventes que le permiten disolver las perovskitas y recubrirlas sin destruir la capa 3D", dijo Mohite.
Su descubrimiento debería ser compatible con la producción de rollo a rollo, que normalmente produce 30 metros de celdas solares por minuto, lo que reduce significativamente los costos de producción, que sigue siendo un elemento esencial en el desarrollo del uso de la energía solar.
El coautor Jacky Even, profesor de física en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Rennes, Francia, dijo: Este descubrimiento conduce, por primera vez, a heteroestructuras de dispositivos de perovskita que contienen más de una capa activa. El sueño de diseñar arquitecturas complejas de semiconductores con perovskitas está a punto de hacerse realidad. Los siguientes pasos serán nuevas aplicaciones y la exploración de nuevos fenómenos físicos”.
Disponer de rollos de células de perovskita significa disponer de un material fotovoltaico eficiente y de bajo coste que se puede utilizar a gran escala.
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