Un estudio en el que participan expertos de la Universidad Católica de Lovaina, en Bélgica, demuestra por primera vez cómo se puede estabilizar una clase de perovskitas (cristales hechos por el hombre que pueden convertir la luz solar en electricidad) para crear células solares más eficientes.
Como resultado, los cristales se vuelven negros, lo que les permite absorber la luz solar. Esto es necesario para poder utilizarlos en nuevos paneles solares que sean fáciles de hacer y altamente eficientes.
Las perovskitas toman su nombre del mineral homónimo descubierto en 1839 en los Montes Urales por Gustav Rose. Se le dio ese nombre en memoria del conde ruso Lev Alekseyevich Perovski. Fue ministro del Interior con el zar Nicolás I y estaba considerado como reconocido experto en minerales.
Los perovskitas son materiales semiconductores que tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, la mayoría de las células solares están hechas con cristales de silicio, un material relativamente sencillo y eficaz. Sin embargo, los dispositivos basados en perovskita ofrecen mayores eficiencias de conversión.
Para los científicos, el gran problema es que algunas de las perovskitas más prometedoras, como el triyoduro de plomo y cesio (CsPbI3), son muy inestables a temperatura ambiente.
Los átomos de ‘perovskitas’ se reorganizan y cambian de color
En estas condiciones, tienen un color amarillo, ya que los átomos en el cristal no forman una estructura de perovskita. Para que los cristales absorban la luz solar de manera eficiente y la conviertan en electricidad, deben estar en un estado de perovskita negro y permanecer así.
Julian Steele, de la Universidad Católica de Lovaina y director de este estudio publicado en Science, recuerda que «el silicio forma un cristal muy fuerte y rígido. Si lo presionas, no cambiará su forma. Por el contrario, las perovskitas son mucho más suaves y más maleables».
Añade que “podemos estabilizarlos bajo diversas condiciones de laboratorio pero, a temperatura ambiente, los átomos de perovskita negro realmente quieren reorganizarse, cambiar de estructura y, finalmente, hacer que el cristal se vuelva amarillo».
Junto con un equipo internacional de científicos, Steele descubrió que al unir una película delgada de células solares de perovskita a una lámina de vidrio, las células pueden obtener y mantener su deseado estado negro.
La película delgada se calienta a una temperatura de 330ºC, lo que hace que las perovskitas se expandan y se adhieran al vidrio. Después del calentamiento, la película se enfría rápidamente a temperatura ambiente. Este proceso fija los átomos en los cristales, restringiendo su movimiento para que permanezcan en la forma negra deseada.
Células solares de perovskitas, alta calificación en rendimiento y precio
Steele explica que «hay tres pilares que determinan la calidad de las células solares: precio, estabilidad y rendimiento. Las perovskitas tienen una alta calificación en cuanto a rendimiento y precio, pero su estabilidad sigue siendo un problema importante”.
Los científicos observaron durante varios años que las perovskitas pueden retener su negrura después del calentamiento, pero aún no estaba claro por qué. «En nuestro estudio, elegimos CsPbI3 porque su rendimiento es muy alto. Además, es uno de los tipos de perovskitas más inestables, lo que significa que es sensible al método que describimos», explica Steele.
Gran parte de los datos utilizados en el estudio se recopilaron en la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón. Para comprender las observaciones experimentales a escala molecular, investigadores del Centro para el Modelo Molecular (CMM) de la Universidad de Gante participaron en el estudio con simulaciones teóricas de las fases negra y amarilla de las perovskitas.
Los resultados se analizaron en plataformas informáticas avanzadas para comprender por qué la fase negra se estabiliza al fijarla a un sustrato de vidrio como una película delgada.
El misterio continúa a pesar de los avances
A pesar de todo, todavía es un misterio para los investigadores cómo se lleva a cabo exactamente la unión, aunque hay una hipótesis. «Normalmente, con un microscopio de resolución atómica lo observaríamos directamente. Sin embargo, eso es imposible con las perovskitas, ya que son difíciles de observar con un instrumento de imágenes de tan alta resolución”, aclara el científico.
«Comprender cómo funciona este mecanismo ayudará a realizar más investigaciones para desarrollar paneles solares que utilicen cristales de perovskita pura», asegura Steele. Así, opina que «dado que el nivel de entrada para el procesamiento de células solares basadas en perovskitas es relativamente bajo, pueden ser muy beneficiosos para los países en desarrollo que operan con una infraestructura más limitada«.
Para terminar, este investigador belga recuerda que la energía generada por perovskitas se pueden usar en LED, sensores fotoeléctricos, transistores y detectores de rayos X, entre otras aplicaciones.
