Liberar el potencial perovskitas para las células solares

- perovskitas una amplia categoría de compuestos que comparten una determinada estructura cristalina - han atraído una gran atención como posibles nuevas células solares debido a su bajo costo, flexibilidad, y relativamente fácil proceso de fabricación. Pero aún queda mucho desconocido acerca de los detalles de su estructura y los efectos de la sustitución de metales diferentes o de otros elementos dentro del material.

Las células solares convencionales de silicio deben procesarse a temperaturas superiores 1,400 grados Celsius, Usar equipos costosos que limitan su potencial para aumentar la producción.. A diferencia de, Las perovskitas se pueden procesar en una solución líquida a temperaturas tan bajas como 100 grados, utilizando equipos económicos. Lo que es más, Las perovskitas se pueden depositar en una variedad de sustratos., incluyendo plásticos flexibles, permitiendo una variedad de nuevos usos que serían imposibles con más espesor, obleas de silicio más rígidas.

Las células solares hechas de perovskita son muy prometedoras, en parte debido a que se pueden hacer fácilmente en sustratos flexibles, como esta célula experimental. Imagen: Ken Richardson

Ahora, los investigadores han sido capaces de descifrar un aspecto clave del comportamiento de las perovskitas hecho con diferentes formulaciones: Con ciertos aditivos hay una especie de “punto dulce” en cantidades mayores serán mejorar el rendimiento y más allá del cual cantidades adicionales comienzan a degradarlo. Los resultados se detallan esta semana en la revista Ciencia, en un documento por el ex-post-doctorado del MIT Juan Pablo Correa-Baena, profesores del MIT y Tonio Buonassisi Moungi Bawendi, y 18 otros en el MIT, la Universidad de California en San Diego, y otras instituciones.

Perovskitas son una familia de compuestos que comparten una estructura de cristal de tres partes. Cada parte puede estar hecha de cualquiera de un número de diferentes elementos o compuestos - que conduce a una gama muy amplia de posibles formulaciones. Buonassisi compara el diseño de una nueva perovskita a ordenar de un menú, elegir uno (o más) de cada uno de la columna A, la columna B, y (por convención) la columna X. “Usted puede mezclar y combinar," él dice, pero hasta ahora todas las variaciones sólo podían ser estudiados por ensayo y error, ya que los investigadores no tenían conocimiento básico de lo que estaba ocurriendo en el material.

En la investigación anterior por un equipo del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana, en el que participó Correa-Baena, había encontrado que la adición de ciertos metales alcalinos a la mezcla de perovskita podría mejorar la eficiencia del material a convertir la energía solar en electricidad, desde aproximadamente 19 por ciento a alrededor 22 por ciento. Pero en el momento en que no había explicación para esta mejora, y ninguna comprensión de exactamente lo que estos metales estaban haciendo dentro del recinto. “Muy poco se sabe acerca de cómo la microestructura afecta al rendimiento,"Dice Buonassisi.

Ahora, mapeo detallado usando mediciones de fluorescencia sincrotrón de rayos X nano de alta resolución, que puede sondear el material con un haz de sólo una milésima del grosor de un cabello, ha revelado los detalles del proceso de, con pistas potenciales sobre cómo mejorar el rendimiento de la materia aún más.

Resulta que la adición de estos metales alcalinos, tal como cesio o rubidio, en el compuesto de perovskita ayuda a algunos de los otros constituyentes para mezclar juntos más suavemente. A medida que el equipo lo describe, Estos aditivos ayudan a “homogeneizar” la mezcla de, por lo que es conducir la electricidad con mayor facilidad y por lo tanto mejorar su eficacia como una célula solar. Pero, ellos encontraron, que sólo funciona hasta cierto punto. Más allá de una cierta concentración, estos metales añadidos se agrupan, regiones de formación que interfieren con la conductividad del material y contrarrestan en parte la ventaja inicial. Entre, para cualquier formulación dada de estos compuestos complejos, es el punto dulce que proporciona el mejor rendimiento, ellos encontraron.

“Es un gran hallazgo,”Dice Correa-Baena, que en enero se convirtió en profesor asistente de ciencias de los materiales e ingeniería en Georgia Tech. Lo que los investigadores encontraron, después de tres años de trabajo en el MIT y con colaboradores de la UCSD, fue "¿qué sucede cuando agregas esos metales alcalinos?", y por qué mejora el rendimiento”. Pudieron observar directamente los cambios en la composición del material., y revelar, entre otras cosas, estos efectos compensatorios de homogeneización y aglomeración.

“La idea es que, basado en estos hallazgos, ahora sabemos que deberíamos estar buscando en sistemas similares, en términos de la adición de metales alcalinos o de otros metales,”O variando otras partes de la receta, Correa-Baena dice. Mientras perovskitas pueden tener importantes ventajas sobre las células solares de silicio convencionales, especialmente en cuanto a los bajos costos de la creación de fábricas para producirlos, que todavía requieren trabajo adicional para aumentar su eficiencia y mejorar su longevidad, que está quedando muy por detrás de la de las células de silicio.

Aunque los investigadores han aclarado los cambios estructurales que se producen en el material de perovskita al añadir distintos metales, y los cambios resultantes en el rendimiento, “todavía no entendemos la química detrás de esto,” Correa-Baena dice. Ese es el tema de la investigación en curso por parte del equipo.. La eficiencia máxima teórica de estas células solares de perovskita es de aproximadamente 31 por ciento, según Correa-Baena, y el mejor desempeño hasta la fecha es alrededor 23 por ciento, por lo que sigue habiendo un margen significativo para posibles mejoras.

A pesar de que puede tomar años para que las perovskitas a desarrollar todo su potencial, al menos dos compañías ya están en el proceso de creación de líneas de producción, y esperan comenzar a vender sus primeros módulos en el próximo año o menos. Algunos de estos son pequeños, células solares transparentes y de colores diseñados para ser integrados en la fachada de un edificio. “Ya está sucediendo,” Correa-Baena dice, “Pero todavía hay trabajo por hacer en la fabricación de estos más duradero.”

Una vez que los problemas de fabricación a gran escala, eficiencia, y la durabilidad se abordan, Buonassisi dice, perovskitas podrían convertirse en un jugador importante en la industria de la energía renovable. “Si tienen éxito en hacer sostenible, módulos de alta eficiencia preservando al mismo tiempo el bajo costo de la fabricación, que podría ser que cambia el juego," él dice. “Podría permitir la expansión de la energía solar mucho más rápido de lo que hemos visto.”

células solares perovskita “ahora son los candidatos principales para la comercialización. Así, proporcionando una visión más profunda, como se hace en este trabajo, contribuye al desarrollo futuro,”Dice Michael Saliba, investigador en la física de la materia blanda en la Universidad de Friburgo, Suiza, quien no estuvo involucrado en esta investigación.

Saliba añade, “Este es un gran trabajo que está arrojando luz sobre algunos de los materiales más investigados. El uso de sincrotrón basado, nuevas técnicas en combinación con la novela ingeniería material es de la más alta calidad, y es merecedor de aparecer en una revista como de alto rango.”Y añade que el trabajo en este campo“está progresando rápidamente. Así, tener un conocimiento más detallado será importante para hacer frente a los retos de ingeniería de futuro “.

Fuente: http://news.mit.edu