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| El Dr. Yicheng Zhao delante del equipo de investigación de alto rendimiento sosteniendo muestras de celdas y películas solares de perovskita. Crédito: HI ERN / Kurt Fuchs |
Las perovskitas son la gran esperanza para seguir aumentando la eficiencia de los módulos solares en el futuro. Hasta ahora, su corta vida útil se ha considerado el mayor obstáculo para su uso práctico, pero esto podría cambiar pronto.
Investigadores del Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg (HI ERN) del Forschungszentrum Jülich han desarrollado una celda solar de perovskita plana que, según se afirma, alcanza más de 1.400 horas de estabilidad operativa a temperaturas elevadas. En las pruebas, la celda basada en perovskita conservó el 99% de su eficiencia inicial.
Antes de elegir el material de perovskita adecuado para la celda, los investigadores probaron sistemáticamente cientos de mezclas de perovskita diferentes e investigaron, en particular, su estabilidad térmica utilizando una plataforma de cribado de alto rendimiento construida por ellos mismos.
Otro importante paso de optimización se refiere a los contactos estables de la perovskita dentro de la celda, que se construye en varias capas finas. Los dopantes iónicos o las nanopartículas de óxido metálico que se utilizan habitualmente para contactar con la celda tienden a sufrir reacciones secundarias a temperaturas más altas. El polímero sin dopante proporciona una barrera ácida entre la perovskita y el polímero dopado con ácido. Esta reacción puede incluso provocar la corrosión de los electrodos metálicos, como pudieron demostrar los investigadores de HI ERN mediante mediciones y microscopía electrónica de barrido. Así, el contacto y la conductividad eléctrica se deterioran en una fase temprana.
Para mejorar la estabilidad en el punto de contacto, los investigadores envolvieron todos los electrodos en una especie de caparazón protector con una nueva estructura polimérica de doble capa, con la cara inferior sin dopar y la superior dopada con un dopante no iónico. Se afirma que esta estructura protege contra la degradación y garantiza el mantenimiento del contacto. Esta arquitectura también protege la interfaz muy sensible a la perovskita y, por otro lado, muestra una conductividad excepcionalmente estable, incluso a temperaturas elevadas.
La celda iluminada tuvo que sobrevivir 1.450 horas a temperaturas elevadas en torno a los 65 grados centígrados en el laboratorio y se mantuvo prácticamente estable durante todo el periodo de prueba. Al final, seguía teniendo el 99% de su eficiencia inicial. "La predicción a largo plazo siempre es difícil. Pero la celda solar de perovskita que hemos desarrollado ahora podría funcionar sin duda durante más de 20.000 horas en circunstancias normales", estima el profesor Christoph Brabec, del Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg (HI ERN) del Forschungszentrum Jülich.
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| celda solar de perovskita y muestras de película con cámara de envejecimiento. Crédito: HI ERN / Kurt Fuchs |
De cara al futuro, los investigadores de la RER del HI aspiran ahora a mejorar aún más la eficiencia. "Con una eficiencia del 20,9%, la celda probada aún no aprovecha todo su potencial. En un futuro próximo debería ser posible alcanzar entre el 24 y el 25%", explica el Dr. Yicheng Zhao, que desempeñó un papel fundamental en la investigación.
Fuentes, créditos y referencias:
Yicheng Zhao, Thomas Heumueller, Jiyun Zhang, Junsheng Luo, Olga Kasian, Stefan Langner, Christian Kupfer, Bowen Liu, Yu Zhong, Jack Elia, Andres Osvet, Jianchang Wu, Chao Liu, Zhongquan Wan, Chunyang Jia, Ning Li, Jens Hauch, Christoph J. Brabec. A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures. Nature Energy, 2021; DOI: 10.1038/s41560-021-00953-z