Proceso simple aumenta la durabilidad de las células solares de perovskita

El material es tan eficiente como el silicio en la generación de energía limpia y tiene menores costos de producción, además de ser más liviano y flexible. Su rápida degradación es uno de los principales obstáculos que deben superarse para viabilizar su uso

Agência FAPESP* – Un estudio realizado en la Universidad Federal de ABC (UFABC), en el estado de São Paulo, Brasil, presenta una nueva forma de mitigar la rápida degradación de las células solares de perovskita. Este problema, que limita la utilización cotidiana de estos dispositivos, ha desafiado a los investigadores del área en la búsqueda de soluciones viables.

Las células solares de perovskita constituyen una tecnología fotovoltaica muy prometedora. Son tan eficientes como las de silicio y tienen menores costos de producción. Además, son livianas, flexibles y semitransparentes, lo que abre numerosas posibilidades de aplicación, como ventanas, prendas de vestir o carpas capaces de generar energía eléctrica a partir de la luz solar.

Sin embargo, la comercialización de estas células se ve obstaculizada por su baja durabilidad, debido a la degradación que sufren los materiales de la familia de las perovskitas cuando se exponen a condiciones de humedad y temperatura ambiente, tanto durante la producción como en el uso. Esta degradación afecta el desempeño de los dispositivos a lo largo del tiempo y, por lo tanto, su durabilidad.

En un artículo publicado en el periódico Solar Energy Materials and Solar Cells, el equipo de la UFABC describió un proceso cuya característica distintiva es la posibilidad de ser realizado sin el estricto control de humedad y temperatura que existe en los laboratorios especializados en el estudio de estos dispositivos.

“Las células solares de este trabajo fueron obtenidas en condiciones ambientales, sin grandes controles de humedad, lo que puede ser más compatible con las condiciones de producción industrial”, explica el profesor André Sarto Polo, coordinador del estudio y miembro del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE) – un Centro de Investigación en Ingeniería (CPE, por sus siglas en portugués) apoyado por FAPESP y Shell.

Modulando la composición

La familia de las perovskitas reúne materiales de composiciones químicas diversas. Todos ellos tienen en común su estructura, formada por iones con carga positiva (cationes) y negativa (aniones). Las perovskitas basadas en cationes de metilamonio (MA⁺) y formamidinio (FA⁺) son las más estudiadas para su uso en células solares.

En este nuevo estudio, apoyado por la FAPESP a través de tres proyectos (17/11986-5, 22/07268-8 y 23/09820-2), los autores incorporaron cantidades crecientes de cationes de formamidinio en perovskitas basadas en metilamonio, caracterizaron cada uno de los materiales obtenidos y, con ellos, montaron células solares. La producción y la caracterización de los materiales y dispositivos se realizó en ambientes con una humedad relativa del aire del 40% al 60%.

Para probar la estabilidad, estas células solares fueron expuestas a temperatura y humedad ambiente durante 90 días. A lo largo de ese período, los investigadores estudiaron sistemáticamente las propiedades de todos los dispositivos con el objetivo de investigar la influencia de la adición de formamidinio en el rendimiento de las células solares.

Mientras que las células solares sin FA⁺ sufrieron una caída acentuada en la eficiencia poco después de ser ensambladas y dejaron de funcionar a los 30 días, las células con más del 25 % de FA⁺ mantuvieron el 80 % de la eficiencia al final de los 90 días.

“Este trabajo demuestra cómo la incorporación de cationes de FA⁺ en perovskitas a base de MA⁺ provoca un aumento en la durabilidad de las células solares de perovskita fabricadas y medidas en condiciones ambientales”, resume Polo.

Según él, esto ocurre porque la adición de formamidinio genera un aumento en el tamaño de los granos que forman la estructura cristalina de la perovskita, reduciendo la extensión total de los bordes. Como los bordes son puntos de acumulación de humedad, la perovskita sufre una menor degradación y la célula solar mantiene su buen desempeño por más tiempo.

La investigación, llevada a cabo durante el doctorado de Lucas Polimante, abre perspectivas para desarrollar células solares de perovskita más duraderas que puedan ser producidas con costos menores y en condiciones más compatibles con el ambiente industrial.

Además de FAPESP y Shell, el grupo contó con financiación del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes), así como con el apoyo estratégico de la Agencia Nacional del Petróleo, Gas Natural y Biocombustibles (ANP).

El artículo Enhancing the stability of methylammonium-based perovskite solar cells prepared in ambient conditions by adding formamidinium cations puede ser leído en: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927024825001230?via%3Dihub.

* Con información de Verônica Savignano, del CINE.