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ENERGÍA

Luz más eficiente

Las células solares de perovskita pueden ser una alternativa más barata y eficaz a los módulos de silicio que dominan el mercado mundial de paneles fotovoltaicos

Células de perovskita desarrolladas en el Laboratorio de Nanotecnología y Energía Solar del Instituto de Química de la USP

Léo Ramos Chaves

Una nueva generación de células solares fabricadas con un material sintético cristalino al cual se lo conoce con el nombre de perovskita resultó elegida en Foro Económico Mundial, una organización suiza que congrega anualmente a líderes empresarios y políticos para debatir temas globales, como una de las 10 tecnologías emergentes de 2016. El material ha suscitado entusiasmo entre los científicos a causa de su elevada capacidad para convertir fotones en electrones, generando electricidad. En el mes de julio de este año, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (Unist), en Corea del Sur, anunció la producción a escala de laboratorio de células solares de perovskita con una eficiencia energética del 22,1%, es decir, un récord. Ese índice, que pudo obtenerse en células de dimensiones pequeñas, menores que los modelos comerciales, supera el de los paneles de silicio, que dominan el mercado, con el 90% de las ventas. La tasa de conversión de estos últimos varía en un rango del 15% al 20%, dependiendo del grado de pureza del silicio empleado en la fabricación de los módulos.

Los fabricantes de paneles solares y varios grupos de investigación de todo el mundo, incluso de Brasil, trabajan en el perfeccionamiento de esa tecnología, que aún debe superar algunos obstáculos, como su baja durabilidad, para llegar al mercado de consumo. En el Reino Unido, Oxford Photovoltaics, una spin-off de la Universidad de Oxford, montó células de perovskita con un índice de eficiencia del 20% y trabaja en la posibilidad de acoplarlas a los paneles de silicio para elevar la conversión de energía. El fundador de la empresa, el físico Henry Snaith, fue uno de los primeros científicos que reconoció el potencial de ese material como conversor de la luz solar en electricidad. La empresa británica contempla el lanzamiento de los primeros modelos comerciales con esas células para fines de 2018, según reveló Frank Averdung, el presidente de la compañía, en declaraciones a la agencia de noticias Bloomberg, en marzo de este año.

“Las células solares de perovskita son una tecnología reciente y prometedora”, refrenda el químico Rodrigo Lopes Sauaia, presidente ejecutivo de la Asociación Brasileña de Energía Solar Fotovoltaica (Absolar), entidad que agrupa a las empresas del sector. “Resulta positivo que haya innovaciones y proyectos en desarrollo como éste en el segmento fotovoltaico, y más aún en Brasil, un país con un enorme potencial de generación de energía solar”, dice (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 258). La producción nacional de este tipo de energía en el país todavía es pequeña, sumando 176 megavatios (MW), y representa el 0,1% de la matriz eléctrica, aunque viene creciendo a ritmo acelerado. “Para el final del año llegará a 1 gigavatio (GW)”, informa Sauaia. En el mes de junio comenzó a operar el Parque Solar da Lapa, en el sertón bahiano, el mayor complejo de este tipo en el país, con capacidad para producir 158 MW, suficiente para suplir las necesidades de 166 mil familias por año.

La perovskita que se emplea en las células solares es un material semiconductor, cuya fórmula química es CH3NH3PbI3, y su estructura es similar a la del mineral titanato de calcio (CaTiO3), descubierto en los Montes Urales, en Rusia, en 1836. A ese mineral se lo denominó perovskita en reconocimiento al mineralogista ruso Lev Alexeievitch Perovski (1792-1856). La materia prima empleada en la producción de las células no se extrae de la naturaleza, sino que es un producto sintetizado en laboratorio. Se construyen por capas, con varias películas delgadas cuya composición química y funciones son diferentes (observe la infografía detallada arriba).

La evolución de esa tecnología en un breve lapso de tiempo llama la atención de los científicos. Cuando se aplicó la perovskita por primera vez a una célula solar, en 2009, el índice de conversión de luz en energía eléctrica era inferior al 4%. Menos de una década después, ese porcentaje creció más de cinco veces (vea el gráfico) y seguirá evolucionando. Los profesores Yang Yang, de la Universidad de California, en Los Ángeles, Estados Unidos, y Jingbi You, del Instituto de Semiconductores de la Academia China de Ciencias, estiman que esas células solares alcanzarán un 25% de eficiencia energética dentro de dos años, según refiere un artículo publicado en la revista Nature en abril de este año. Las pastillas de silicio, a su vez, ya se encuentran disponibles en el mercado desde hace más de 50 años y parecen haber llegado a su límite. En los últimos 15 años no se registraron grandes progresos en su tasa de conversión.

Grado de pureza
Las células de perovskita además son más baratas y fáciles de producir que las de silicio. “Para obtener alta eficiencia energética, las células de silicio deben tener un grado de pureza muy elevado, lo que aumenta el consumo de energía durante su fabricación y eleva su costo”, explica la química Ana Flávia Nogueira, docente del Instituto de Química de la Universidad de Campinas (Unicamp) y líder de uno de los grupos de investigación de ese tipo de dispositivo en el país, el Laboratorio de Nanotecnología y Energía Solar (LNES). La pureza del silicio es necesaria dado que mínimas imperfecciones en el cristal interfieren en su capacidad para transformar la luz absorbida en electricidad.

En tanto, las células de perovskita no requieren una pureza elevada, toda vez que los defectos en su estructura no disminuyen su eficiencia. Estas últimas se elaboran con compuestos químicos baratos y pueden fabricarse con métodos simples que abaratan su costo. Además, el proceso productivo no contribuye al calentamiento global. En la producción de las láminas de silicio, el dióxido de silicio (SiO2), la materia prima básica del dispositivo, debe fundirse a altas temperaturas, de alrededor de 1.500 ºC, liberando dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. “El proceso de fabricación de las células solares de perovskita no emite CO2”, dice la investigadora de la Unicamp.

El grupo de Ana Flávia Nogueira fue el primero en construir células solares de perovskita en Brasil, en 2016. “Ese estudio se inició con la tesina de maestría del químico Rodrigo Szostak. No fue difícil iniciar el desarrollo de esas células, ya que desde 2004 nuestro laboratorio lleva adelante investigaciones con células solares orgánicas y células sensibilizadas mediante colorantes, dos tecnologías que sirvieron de inspiración para el posterior desarrollo de las células de perovskita”, relata la investigadora. El dispositivo desarrollado en el LNES ya alcanza valores de eficiencia cercanos al 16% y se llegará a un 18% para fin de año.

Enel/Divulgación El Parque Solar da Lapa del estado de Bahía (BA), el mayor del país, genera suficiente energía para proveer a 166 mil familias por añoEnel/Divulgación

Otra característica de las células solares de perovskita es su espesor, que se ubica en torno a 1 micrón (la millonésima parte de un metro), en comparación con los alrededor de 180 micrones de las pastillas de silicio. “Se fabrican bajo el formato de películas ultrafinas y pueden ser también semitransparentes, lo que podría conducir a la producción de paneles livianos y flexibles, permitiendo una mayor gama de aplicaciones”, sostiene la química Silvia Letícia Fernandes, quien realizó un doctorado sobre el tema. Uno de los problemas de las células fotovoltaicas de silicio es que son pesadas y rígidas, algo que dificulta y limita los sitios de instalación de los módulos solares.

El año pasado, Fernandes defendió en la Universidade Estadual Paulista (Unesp) su tesis doctoral intitulada “Desarrollo de células solares de perovskita basadas en filmes de óxidos nanoestructurados”, bajo la dirección de la profesora Maria Aparecida Zaghete, del Instituto de Química de la Unesp de Araraquara. Para ese trabajo contó con la ayuda del profesor Carlos Frederico de Oliveira Graeff, de la Facultad de Ciencias de la Unesp, campus de Bauru, para la preparación de las células solares. Zaghete y Graeff son investigadores del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) patrocinados por la FAPESP.

Sílvia Fernandes/Divulgación El material ideado por el grupo de la Unesp de Araraquara alcanzó un 15% de eficienciaSílvia Fernandes/Divulgación

El talón de Aquiles
Aun con tantas ventajas, las células de perovskita todavía deben superar ciertos retos antes de tornarse un producto comercial que pueda competir en el mercado de la energía solar fotovoltaica. El principal de ellos es la escasa durabilidad del material. “Ése es el talón de Aquiles”, admite el químico Rodrigo Szostak, del grupo de investigación de la Unicamp. “Otro de los grandes problemas en comparación con el silicio es la estabilidad. La perovskita es sensible al agua y a la humedad, que ocasionan su degradación”, afirma. Las primeras células que se elaboraron en el mundo con este material permanecían estables solamente durante algunos minutos, pero se introdujeron alteraciones en su estructura que elevaron la durabilidad a poco más de un año.

Recientemente, el grupo del profesor Michael Gratzel, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, uno de los más avanzados en el estudio de células de perovskita, logró fabricar módulos solares de 10 por 10 centímetros cuadrados (cm2) valiéndose de un proceso adaptado para la producción industrial. Los dispositivos presentaron una eficiencia del 11,2% y se mostraron estables durante más de 10 mil horas (415 días). Pese a ese avance, la durabilidad aún es muy inferior a la de los paneles de silicio, que operan sin sufrir degradaciones hasta por 25 años.

Otro escollo que debe superarse es el uso de plomo en el montaje de la célula, un elemento químico que plantea riesgos para la salud y medioambientales. “El plomo siempre es una gran preocupación ambiental, aunque la cantidad que se utiliza es ínfima. Su empleo en las células solares bajo el formato de finas películas causaría mucho menos impacto ambiental que las baterías de plomo-ácido que utiliza la industria automovilística”, subraya Silvia Fernandes. Ese problema podría soslayarse mediante un descarte adecuado y la utilización de las células en sitios seguros. “El uso del dispositivo en parques solares, donde se adecúa el terreno, ofrece un bajo riesgo de daño ambiental”, sostiene Nogueira.

El uso de plomo en la célula y su durabilidad reducida son problemas que aún deben resolverse

Más estable
Para ayudar a conjurar la baja estabilidad de las células de perovskita, el grupo de la Unesp introdujo en la composición de la célula películas de pentóxido de niobio (Nb2O5), que le aportaron mayor estabilidad. “La célula solar está formada básicamente por un filme de perovskita y otras dos láminas, una responsable del transporte de los electrones y la otra, de los huecos de electrón [un hueco de electrón –o simplemente “hueco”– es una partícula que se caracteriza por la ausencia de un electrón, que tiene una carga del mismo valor, pero con sentido opuesto a la del electrón]. Estos electrones y huecos generados por la luz migran hacia los extremos opuestos del material, generando una tensión que puede utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos”, explica Fernandes. “La mayoría de las células emplean dióxido de titanio (TiO2) como transportador. Nosotros introdujimos el pentóxido de niobio, que se mostró muy eficiente e incluso mejoró la estabilidad”.

El dispositivo que montaron en la Unesp presentó una eficiencia de hasta un 15%. Parte de ese estudio se llevó a cabo en el Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa), bajo la supervisión del profesor Frank Nüesch. “En 2015, pasé cinco meses en el laboratorio del profesor Nüesch. Él nos cedió el espacio físico y aportó su experiencia en el montaje de las células. Nosotros utilizamos las películas de pentóxido de niobio preparadas en Brasil y montamos las células allá. Ahora hemos logrado realizar todo el montaje y la caracterización de los dispositivos en el Laboratorio de Nuevos Materiales y Dispositivos (LNMD), con la misma calidad”, dice Fernandes.

Un tercer grupo de investigación brasileño, de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), trabaja en el perfeccionamiento de las células solares de perovskita. La innovación consistió en agregarle un aerogel de dióxido de titanio (el compuesto se denomina en inglés titania, o titanio blanco, en español) en la arquitectura del dispositivo con el objetivo de elevar su tasa de conversión. La investigación se realizó bajo el liderazgo del equipo del físico Carlos Rambo, coordinador del Laboratorio de Materiales Eléctricos (Lamate) del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, y contó con la colaboración de las físicas Maria Luísa Sartorelli y Françoise Toledo Reis, del Laboratorio de Sistemas Nanoestructurados (LabSiN) del Departamento de Física.

“El aerogel es un material al cual se lo conoce como humo sólido dado que presenta una elevada área superficial y es muy liviano. Desarrollamos por primera vez a nivel mundial células de perovskita basadas en aerogel”, dice Rambo. “Agregamos el aerogel de dióxido de titanio en la arquitectura del dispositivo y duplicamos su eficiencia en relación a la de una célula con capa compacta de dióxido de titanio”.

Para Rodrigo Sauaia, de Absolar, los esfuerzos de investigación en Brasil y en todo el mundo son fundamentales para mejorar las características físicas y químicas de las células de perovskita y perfeccionar el proceso productivo. “El reto actual consiste en transformar células de pequeño porte, que ofrecen buenos resultados en el banco de pruebas del laboratorio, en productos comerciales, que puedan producirse a gran escala”, apunta Sauaia. En su opinión, el éxito de esta nueva tecnología dependerá de la existencia de un módulo solar competitivo que atienda a los requerimientos del mercado.

Mayor poder de absorción
Un equipo del MIT usa nanotubos de carbono y cristales nanofotónicos para crear un dispositivo solar más eficiente

Un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), bajo el comando de la ingeniera mecánica Evelyn Wang, el físico Marin Soljacic y el alumno de doctorado David Bierman, está trabajando en un nuevo tipo de célula solar, capaz, según ellos, de generar el doble de la energía que ofrecen los paneles de silicio actuales. El secreto de esta nueva tecnología reside en su elevada capacidad de absorción de la radiación solar, de acuerdo con un artículo publicado en la MIT Tech Review. Las células fotovoltaicas modernas absorben solamente longitudes de onda de la luz en el espectro visible, es decir, del violeta al rojo; el resto se pierde. El dispositivo es capaz de absorber la energía de todo el espectro de la luz solar para generar electricidad.

Otra de sus ventajas radica en que este tipo de célula podría ser eficiente también en los días sin sol. Si bien depende de la radiación solar para generar electricidad, una vez que el material absorbente ha captado la luz, ésta genera calor. Este calor puede almacenarse para producir energía en días nublados o incluso durante la noche. En las pruebas de laboratorio, el prototipo registró un índice de eficiencia relativamente bajo, de un 6,8%, pero sus inventores creen que tiene potencial para evolucionar.

Hay algunos obstáculos que deberán superarse, tales como el alto costo de fabricación del nuevo sistema. Otro de los escollos reside en que la tecnología se muestre viable en condiciones ambientales normales, dado que, por ahora, los test se han efectuado tan sólo en vacío, y no en un ambiente normal. El nuevo dispositivo fue evaluado por la MIT Tech Review como una tecnología prometedora.

Proyectos
1.
Nanoestructuras híbridas en células solares de tercera generación (3G) (nº 14/21928-4); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigadora responsable Ana Flávia Nogueira (Unicamp); Inversión R$ 291.986,83
2. Desarrollo de células solares híbridas basadas en películas nanoestructuradas de ZnO y Nb2O5 (nº 12/07745-9); Modalidad Beca doctoral – Brasil; Investigadora responsable Maria Aparecida Zaghete Bertochi (Unesp); Becaria Silvia Letícia Fernandes (Unesp); Inversión R$ 106.393,98 y R$ 45.284,17 (Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior, nº 14/23336-7).

Artículos científicos
SZOSTAK, R. et al. Understanding perovskite formation through the intramolecular exchange method in ambient conditions. Journal of Photonics for Energy. v. 7, n. 2. 24. may. 2017.
FERNANDES, S. L. et al. Nb2O5 hole blocking layer for hysteresis-free perovskite solar cells. Materials Letters. v. 181. 15. oct. 2016.
PINHEIRO, G. K. et al. Increasing incident photon to current efficiency of perovskite solar cells through TiO2 aerogel-based nanostructured layers. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and engineering aspects. v. 527, p. 89-94. 20. ago. 2017.

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