Paneles Solares Bajando el Costo. Nuevos Estudios sobre la Perovskita

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El material sintetizado en laboratorio puede abaratar la energía solar

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Gracias a su potencial de aplicación en el campo de la tecnología fotovoltaica, las perovskitas son uno de los materiales funcionales más estudiados en la actualidad. Las células solares de perovskita ya han logrado una eficiencia del 25% en la conversión de la luz en energía eléctrica, superando el porcentaje de células de silicio policristalino, que sigue siendo la más comercializada en el mundo. La gran ventaja de la nueva tecnología es que es más simple, más barata y menos impactante para el medio ambiente.

“Las células de silicio solo pueden fabricarse en entornos con un alto control de partículas y temperaturas de demanda que superan los 1.500º C. Por lo tanto, aunque su precio ha bajado mucho en los últimos años, los paneles solares a base de silicio son caros.  En nuestro laboratorio, estamos produciendo películas de perovskita a partir de soluciones, también llamadas pinturas, a temperatura ambiente ”, dijo Ana Flávia Nogueira , profesora del Instituto de Química de la Universidad Estatal de Campinas (IQ-Unicamp) e investigadora responsable de la División de Portadores de energía densa en el New Energy Innovation Center ( CINE ).

CINE es un Centro de Investigación de Ingeniería ( CPE ) compuesto por FAPESP y Shell.

Junto con los investigadores Hélio Tolentino y Raúl de Oliveira Freitas , del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón ( LNLS ), Nogueira coordinó un estudio para caracterizar películas híbridas de perovskita. El trabajo dio como resultado el artículo Mapeo a nanoescala de composición química en películas de perovskita híbrido orgánico-inorgánico , publicado en Science Advances , una revista del grupo Science .

El estudio se realizó con el apoyo de FAPESP durante el doctorado de Rodrigo Szostak .

“En los últimos cinco años, todos los grupos de investigación se apresuraron a ver quién logró la mayor eficiencia. Estamos cerca del límite teórico de eficiencia, alrededor del 30%. Sin embargo, la tendencia actual es dar un paso atrás para comprender mejor estos materiales. El trabajo realizado por Szostak es parte de esta nueva tendencia. La técnica utilizada por él, que implica la luz de sincrotrón y la nanoespectroscopía infrarroja, se utilizó por primera vez en la caracterización de las perovskitas ”, dijo Nogueira.

Szostak utilizó el aparato LNLS, que le permitió mapear granos nanométricos individuales en las películas. Esto fue importante porque el método de fabricación de las películas, que consiste en depositar una solución de los precursores del material sobre un sustrato, en capas con espesores del orden de nanómetros, puede originar tanto la fase estructural de interés como las fases indeseables. Los factores circunstanciales, como la humedad o la temperatura, influyen en la forma en que se organizan los átomos, lo que hace que se muevan de una estructura con actividad fotovoltaica a una estructura inactiva. El objetivo del estudio fue investigar cómo se distribuyen estas diferentes fases en la película y, en consecuencia, cómo influyen en el rendimiento del dispositivo.

Clase diversa

La perovskita en sí es un óxido de calcio y titanio, con fórmula molecular CaTiO3. Fue descubierto en los montes Urales, Rusia, en 1839. Y lleva el nombre del mineralogista ruso Lev Perovski (1792-1856), ministro del zar Nicolás I. Lo que los investigadores de CINE y otros llaman Perovskita es en realidad , una clase de diversos materiales sintetizados en el laboratorio que tienen la misma estructura cristalina que la perovskita original. Son sustancias formadas por dos cationes (iones positivos) de diferentes tamaños, que pueden describirse genéricamente mediante la fórmula molecular ABX3, en la que A y B representan los cationes y X representa halógenos.

La investigación realizada en CINE, con miras al uso potencial en dispositivos fotovoltaicos, se enfoca en perovskitas híbridas, con un catión inorgánico (sin carbono) y un catión orgánico (con carbono).

“Szostak trabajó con perovskitas tridimensionales. Otro trabajo de nuestro grupo, realizado por Raphael Fernando Moral , resultó en la síntesis de un nuevo material, una perovskita bidimensional. Moral también usó luz sincrotrón para caracterizar el material, pero con dispersión de rayos X ”, dijo Nogueira.

El trabajo de Moral también recibió el apoyo de FAPESP a través de una beca de maestría y una pasantía de investigación en el extranjero. Los resultados aparecieron en la portada de la revista Chemistry of Materials de la American Chemical Society, donde se publicó el artículo Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden – Popper Organic Lead Halides y su crecimiento dinámica .

Moral usó el equipo Stanford Synchrotron Radiation Lightsource en los Estados Unidos  para monitorear el crecimiento del material en el momento exacto en que tuvo lugar la reacción química, utilizando una técnica llamada dispersión de rayos X en ángulos bajos (SAXS) . De vuelta en Brasil, el investigador y los colaboradores continuaron el estudio en LNLS, para evaluar la estabilidad del material bajo varias condiciones de frontera.

“Moral pudo determinar incluso la velocidad promedio con la que se superponen las placas 2D durante la formación del material. Cuando pasa a través de la corriente eléctrica, esta perovskita emite luz muy fuerte y puede ser un gran material para la fabricación de LED [ diodos emisores de luz ] ”, dijo Nogueira.

El artículo Mapeo a nanoescala de la composición química en películas de perovskita híbrido orgánico-inorgánico se puede acceder en https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw6619 . Y el artículo Síntesis de Ruddlesden policristalino – Haluros de plomo orgánicos de Popper y su dinámica de crecimiento en https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b03439 .