Células Solares de Perovskita: Ventajas, Desafíos y Perspectivas Futuras

Índice de Contenidos

1. Introducción
2. ¿Qué son las Células Solares de Perovskita?
3. Ventajas de las Células Solares de Perovskita
4. Desafíos Técnicos en las Aplicaciones Prácticas de las Células de Perovskita
5. Últimos Avances en Investigación de las Células Solares de Perovskita
6. Aplicaciones Potenciales de las Células Solares de Perovskita
7. Conclusión

Introducción

Con la creciente demanda mundial de energía renovable, las células solares de perovskita han captado una atención significativa como una tecnología fotovoltaica emergente. Estas células solares de tercera generación, basadas en materiales con estructura de perovskita, exhiben un potencial tremendo debido a su alta eficiencia, bajo costo y diversos escenarios de aplicación. Este artículo tiene como objetivo proporcionar una visión general comprensiva de las células solares de perovskita, cubriendo sus conceptos básicos, ventajas, desafíos técnicos, últimos desarrollos en investigación y aplicaciones potenciales, ofreciendo a los lectores una comprensión completa de esta prometedora tecnología.

¿Qué son las Células Solares de Perovskita?

Las células solares de perovskita son un tipo de célula solar de tercera generación que utiliza materiales con estructura de perovskita. Las perovskitas son una clase de materiales caracterizados por una estructura cristalina específica, generalmente representada por la fórmula química ABX₃. En esta fórmula, 'A' y 'B' son dos cationes metálicos diferentes, y 'X' es un anión, formando juntos una red cristalina única. En el contexto de las células solares de perovskita, 'A' y 'B' suelen estar compuestos de moléculas orgánicas y haluros metálicos. Esta combinación da lugar a materiales con excepcionales propiedades de absorción de luz y electrónicas, lo que convierte a las células solares de perovskita en una alternativa prometedora a las tecnologías fotovoltaicas tradicionales.

Ventajas de las Células Solares de Perovskita en Comparación con las Células de Silicio

Las células solares de perovskita ofrecen varias ventajas sobre las células tradicionales de silicio, incluidas las células PERC, TOPCon, IBC y HJT:

1. Alta Eficiencia: Las células solares de perovskita exhiben altos niveles de eficiencia. La eficiencia máxima teórica de conversión de las células de perovskita de una sola unión puede alcanzar hasta el 31%, mientras que las células de perovskita de múltiples uniones pueden lograr eficiencias teóricas de hasta el 45%, superando significativamente el límite de eficiencia del 29.4% de las células de silicio.
2. Bajo Costo: Los materiales de perovskita son menos sensibles a las impurezas, lo que permite producir células con más del 20% de eficiencia utilizando materiales de perovskita de alrededor del 90% de pureza. En contraste, el silicio requiere un nivel de pureza del 99.9999% para su uso efectivo. Además, la producción de células solares de perovskita requiere una inversión relativamente menor en la cadena de suministro industrial, necesitando solo una fábrica en comparación con las cuatro fábricas requeridas para las células de silicio (material de silicio, oblea de silicio, célula y módulo).
3. Amplia Gama de Aplicaciones: Las células solares de perovskita se pueden fabricar en formas flexibles y ligeras, lo que las hace adecuadas para diversas aplicaciones, incluyendo la fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), pantallas flexibles, ropa wearable, tiendas de campaña, fuentes de energía portátiles y otros dispositivos portátiles.
4. Excelente Rendimiento en Condiciones de Baja Luz: Los materiales de perovskita pueden operar eficientemente en ambientes de baja luz, como en clima nublado o durante el amanecer y el atardecer. Esto permite que las células solares de perovskita mantengan un buen rendimiento incluso en condiciones de iluminación subóptimas, mejorando su potencial general de generación de energía.

Desafíos Técnicos en las Aplicaciones Prácticas de las Células de Perovskita

Las células solares de perovskita, a pesar de sus características prometedoras, todavía enfrentan varios desafíos técnicos en aplicaciones prácticas:

1. Estabilidad a Largo Plazo: La estabilidad de los materiales de perovskita frente a factores ambientales como la humedad, la temperatura y la exposición a la luz es un desafío importante. Las células solares de perovskita pueden degradarse cuando se exponen a estas condiciones durante períodos prolongados. Si bien las pruebas de laboratorio han mostrado vidas útiles de aproximadamente un año, esto aún es inferior en comparación con las células solares de silicio. Estandarizar las pruebas de estabilidad es un enfoque de investigación actual.
2. Equilibrio entre Eficiencia y Estabilidad: Aumentar la eficiencia de conversión de las células solares de perovskita a menudo compromete su estabilidad a largo plazo. Las células de perovskita de alta eficiencia a veces presentan un mal rendimiento en pruebas de estabilidad a largo plazo. Encontrar el equilibrio óptimo entre eficiencia y estabilidad es un objetivo crucial de investigación.
3. Pérdida de Eficiencia en Aplicaciones de Gran Área: La uniformidad y densidad de las capas de perovskita en aplicaciones de gran área están estrechamente relacionadas con la pérdida de eficiencia. Las células de perovskita de pequeña área producidas en laboratorios pueden lograr alta eficiencia, pero esta eficiencia puede disminuir al ampliarse a aplicaciones prácticas de mayor tamaño.
4. Sistemas de Materiales No Estandarizados: La fabricación de células de perovskita implica diversas opciones de materiales, y el sistema de materiales aún no está completamente estandarizado. Esto aumenta la incertidumbre y los costos en el proceso de producción. Diferentes equipos de investigación pueden usar diferentes combinaciones de materiales de perovskita, lo que lleva a variaciones en el rendimiento y la estabilidad.
5. Incertidumbre en los Procesos de Cristalización: El proceso de fabricación de las células de perovskita involucra complejos procesos de cristalización, y las incertidumbres en estos procesos pueden afectar el rendimiento y la estabilidad de las células. Diferentes métodos y condiciones de cristalización pueden resultar en variaciones significativas en la calidad y el rendimiento de las películas delgadas de perovskita.
6. Encapsulamiento y Protección: Se necesitan técnicas de encapsulamiento efectivas para proteger las células de perovskita de los factores ambientales. Esto incluye seleccionar materiales y procesos de encapsulamiento adecuados para proteger las células de la humedad y el oxígeno.

Últimos Avances en la Investigación de Células Solares de Perovskita

En 2024, se han logrado avances significativos en la investigación de las células solares de perovskita. Aquí están algunos de los desarrollos clave:

1. HUST Wuhan National Laboratory for Optoelectronics: El equipo liderado por Wei Chen y Zonghao Liu publicó un estudio en Nature que demuestra el uso de una monocapa autoensamblada híbrida como material de transporte de huecos (HTM) para mejorar la eficiencia de las células solares de perovskita invertidas. Este material ofrece ultra-mojabilidad, distribución uniforme a escala nanométrica, rápida extracción de portadores y baja recombinación no radiativa. Estas propiedades permiten un transporte eficiente de portadores y una pasivación de defectos en la interfaz enterrada, mejorando significativamente el rendimiento del dispositivo. Las células solares de perovskita invertidas resultantes lograron una eficiencia de estado casi estacionario del 26.54%, certificada por una institución autorizada de terceros, superando el récord anterior de eficiencia certificada.
2. Universidad de Tsinghua: El equipo liderado por Yichen Yi desarrolló un nuevo material de transporte de huecos (HTM-T2) combinado con películas delgadas de perovskita depositadas al vacío, logrando un récord mundial de eficiencia del 26.41% para células solares de perovskita. El HTM-T2 se puede sintetizar a partir de materias primas comerciales de bajo costo a través de pocos pasos, lo que lo hace altamente adecuado para la producción en masa. El equipo también logró una eficiencia certificada del 26.21% para PSCs con un área de 0.1 cm² y del 24.88% para PSCs con un área de apertura de 1.0 cm².
3. Instituto de Química, Academia China de Ciencias: El equipo liderado por Yongfang Li y Lei Meng propuso una estrategia de ingeniería de oxidación localizada (LOE) para controlar y mantener eficazmente el estado de oxidación adecuado de SnO2 en la capa de transporte de electrones. Al agregar dicromato de amonio como oxidante, compensaron el exceso de vacantes de oxígeno y formaron una capa de semiconductor p-tipo de Cr2O3 ultradelgada como producto de reducción. La unión p-n nanométrica de Cr2O3/SnO2 mejora la extracción de carga y reduce la recombinación no radiativa en la interfaz enterrada. Las células solares de perovskita basadas en α-FAPbI3 con este ETL lograron una PCE del 25.72% (eficiencia certificada del 25.41%) y demostraron una estabilidad operacional de T90>700h bajo iluminación continua de 1 sol.
4. Universidad de Jiao Tong de Shanghai: En marzo de 2024, un equipo de investigación publicó un estudio en Science que muestra que sus células solares de perovskita invertidas mantuvieron el 98.5% de su eficiencia inicial después de 1000 horas de almacenamiento a un 85% de humedad relativa y 85°C. Además, estas células retuvieron el 98.2% de su eficiencia inicial después de operar en el punto de máxima potencia durante 1200 horas a 85°C.

Estos desarrollos destacan el progreso significativo en la mejora de la eficiencia, estabilidad y escalabilidad de las células solares de perovskita, acercándolas a la viabilidad práctica y comercial.

Aplicaciones Potenciales de las Células Solares de Perovskita

Las células solares de perovskita tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales debido a sus ventajas únicas, como alta eficiencia, ligereza, flexibilidad y semi-transparencia. Aquí algunos casos de uso potenciales:

1. Fotovoltaica Integrada en Edificios (BIPV): Las células solares de perovskita pueden integrarse en materiales de construcción como ventanas, fachadas de vidrio o techos, combinando estética con producción de energía.
2. Fuentes de Energía Portátiles: Su naturaleza ligera y flexible permite que las células solares de perovskita se integren en dispositivos electrónicos portátiles como smartphones, tablets y dispositivos wearables, proporcionando capacidades de carga inalámbrica.
3. Integración en Vehículos: Las células solares de perovskita pueden incorporarse en las superficies de vehículos, drones y bicicletas eléctricas, proporcionando energía adicional, extendiendo el rango de conducción o reduciendo la dependencia de fuentes de energía externas.
4. Energía Autónoma: En áreas remotas o países en desarrollo, las células solares de perovskita pueden ser parte de sistemas de energía autónoma, suministrando electricidad limpia.
5. Aplicaciones Fotovoltaicas en Interiores: Debido a su fuerte absorción de luz, las células solares de perovskita pueden generar electricidad incluso en condiciones de iluminación interior, siendo adecuadas para iluminación en interiores y dispositivos de bajo consumo como sensores.
6. Aplicaciones Espaciales: Las propiedades ligeras y de alta eficiencia de las células solares de perovskita las hacen ideales para aplicaciones espaciales, proporcionando energía para satélites y otras naves espaciales.
7. Agricultura: Las células solares de perovskita pueden utilizarse en sistemas de monitoreo y automatización agrícola, como controladores de riego, estaciones meteorológicas y dispositivos de monitoreo de cultivos.
8. Militar y Defensa: Debido a su alta eficiencia y portabilidad, las células solares de perovskita pueden emplearse en equipos militares y drones de reconocimiento no tripulados, proporcionando energía confiable.
9. Electrónica de Consumo: Las células solares de perovskita pueden integrarse en diversos productos electrónicos de consumo, como lectores electrónicos, altavoces portátiles y relojes digitales.
10. Ayuda en Desastres y Respuesta de Emergencia: En desastres naturales o emergencias, las células solares de perovskita pueden ser desplegadas rápidamente para proporcionar energía inmediata para operaciones de rescate.

Estos diversos escenarios de aplicación destacan la versatilidad y el potencial de las células solares de perovskita, posicionándolas como una tecnología transformadora en el sector energético.

Conclusión

La investigación y las aplicaciones de las células solares de perovskita están avanzando continuamente, presentando un potencial ilimitado para el desarrollo futuro. Con los avances tecnológicos en curso y la continua reducción de costos, las células solares de perovskita están preparadas para desempeñar un papel importante en el mercado fotovoltaico futuro, contribuyendo a la transición energética global y al desarrollo sostenible. Esperamos la comercialización a gran escala de las células solares de perovskita en un futuro cercano, llevando soluciones de energía más limpias y eficientes a la humanidad.

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Referencia：

Consejo Nacional de Investigación. (2007). Conversión avanzada de fotones solares: Concepts, Technologies, and Applications. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/11976

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Tablas de eficiencia de células solares (Versión 38). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20(1), 12-15. https://doi.org/10.1002/pip.1074

NREL. (2023). Best Research-Cell Efficiency. Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Stranks, S. D., & Snaith, H. J. (2013). Perovskitas orgánico-inorgánicas para aplicaciones fotovoltaicas. Advanced Materials, 25(22), 2966-2981. https://doi.org/10.1002/adma.201204079

Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL). (2023). Photovoltaic Research - Perovskite Solar Cells. https://www.nrel.gov/pv/perovskite-solar-cells.html

Oxford PV. (2023). La tecnología - Oxford PV. https://www.oxfordpv.com/technology

Green, M. A., & Hoegel, J. (1989). Solar cell efficiency tables. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7(1), 3-8. https://doi.org/10.1002/pip.4670070103

Green, M. A. (2018). Tablas de eficiencia de células solares (Versión 53). Journal of Photovoltaics, 8(1), 3-12. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2786899

S. Department of Energy (Departamento de Energía). (2023). Basic Research Needs for Solar Energy Utilization. https://www.energy.gov/eere/articles/basic-research-needs-solar-energy-utilization

Consejo Nacional de Investigación. (2011). Tecnologías de energía solar para el siglo XXI: El papel del Laboratorio Nacional de Energías Renovables. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13256

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Tablas de eficiencia de células solares (Versión 39). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(1), 8-13. https://doi.org/10.1002/pip.2464

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