Cualquier superficie podrá ser un panel solar: Perovskita

Un equipo de científicos de la Universidad de Sheffiled, en Reino Unido, ha logrado desarrollar un spray a base de perovskita que puede convertir cualquier superficie en un panel solar.

Con una fina capa de perovskita se consigue una eficiencia de un 20 %, para comparar, la eficiencia media de los paneles con células de silicio es del 25 %.

Una aplicación para este avance será el poder crear paneles solares en coches o dispositivos móviles, sin superficies totalmente planas y donde es complicadísimo el montaje de paneles solares normales.



La perovskita es un mineral descubierto hace 150 años, pero ha sido en estos últimos años cuando se le han encontrado aplicaciones prácticas. Tiene gran capacidad para absorber la luz solar, además, obtener perovskita es más económico que silicio.

Aún esta en fase de pruebas. Este spray absorbe energía solar en capas de hasta 1 micra de espesor, mucho mejor que el silicio, que requiere un mínimo de 180 micras para absorber luz solar.

Los investigadores dedicados a desarrollar la tecnología aseguran que podría conducir a paneles solares que cuesten solo de 10 a 20 centavos de dólar (7,5 y 15 céntimos de euro) por vatio. Hoy día, los paneles solares normalmente cuestan unos 75 centavos de dólar (56 céntimos de euro) por vatio, y el Departamento de Energía de EE.UU. afirma que 50 centavos de dólar (37 céntimos de euro) por vatio permitirá a la energía solar competir con los combustibles fósiles.

El nuevo material podría hacer posible obtener lo mejor de ambos mundos: células solares muy eficientes, pero también baratas de fabricar.

Uno de los investigadores solares más importantes del mundo, Martin Green, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, señala que la rapidez del progreso ha sido sorprendente. Las células solares que utilizan el material "se pueden fabricar con tecnología muy simple y potencialmente muy barata, y la eficiencia está aumentando de manera muy significativa", afirma.

La perovskita se conoce desde hace más de un siglo, pero nadie había pensado en probarla en células solares hasta hace relativamente poco. El material particular que los investigadores están usando es muy bueno a la hora de absorber la luz. Mientras que los paneles solares de silicio convencionales utilizan materiales con alrededor de 180 micrómetros de espesor, las nuevas células solares utilizan menos de un micrómetro de material para capturar la misma cantidad de luz solar. El pigmento es un semiconductor que además también es bueno para el transporte de la carga eléctrica que se crea cuando es alcanzado por la luz.

"El material es muy barato", afirma Michael Grätzel, famoso en la industria solar por haber inventado un tipo de célula solar que lleva su nombre. Su grupo ha producido las células solares de perovskita más eficientes hasta ahora, y convierten el 15 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad, mucho más que otras células de producción barata. Basado en su rendimiento hasta el momento, y en sus propiedades conocidas de conversión de luz, los investigadores afirman que su eficacia podría fácilmente subir hasta el 20 o el 25 por ciento, una cifra igual de buena que las cifras récord (por lo general logradas en laboratorios) de los tipos más comunes de células solares hoy día. La eficiencia de las células solares producidas en masa puede ser más baja. Pero tiene sentido comparar la eficiencia de laboratorio de las células de perovskita con los registros de laboratorio de otros materiales. Grätzel asegura que el uso de perovskita en células solares probablemente resultará en un material "indulgente" que conserve una alta eficiencia en la producción en masa, ya que los procesos de fabricación son simples.

Las células solares de perovskita se pueden fabricar mediante la difusión del pigmento en una hoja de vidrio u hoja de metal, junto con algunas otras capas de material que faciliten el movimiento de electrones a través de la célula. No son exactamente las células solares en spray que algunas personas habían previsto, un ideal propio de la ciencia ficción por el que de forma instantánea se puede hacer que cualquier superficie sea capaz de generar electricidad, pero el proceso es tan fácil que se está acercando a ello. "Es muy poco probable que alguien llegue a ser capaz de simplemente comprar un tubo de 'pintura solar', pero todas las capas de la célula solar pueden ser fabricadas con la misma facilidad con la que se pinta una superficie", señala Henry Snaith, físico de la Universidad de Oxford que, en colaboración con investigadores de Asia, ha publicado algunas de las mejores eficiencias para el nuevo tipo de célula solar.

Cuando se probaron por primera vez las perovskitas en células solares en 2009 los niveles de eficiencia fueron bajos, y solo convertían aproximadamente el 3,5 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad. Las células tampoco duraban mucho, ya que un electrolito líquido disolvía la perovskita. Los investigadores apenas tuvieron tiempo suficiente para ponerlas a prueba antes de que dejaran de funcionar. Sin embargo el año pasado un par de innovaciones técnicas (formas de sustituir un electrolito líquido con materiales sólidos) resolvieron esos problemas e hicieron que los investigadores iniciaran una carrera por producir células solares cada vez más eficientes.



"Entre 2009 y 2012 solo existía un artículo publicado. Luego, a finales del verano de 2012 es cuando empezó todo", señala Snaith. Las eficiencias se duplicaron rápidamente y después volvieron a duplicarse. Y se espera que la eficiencia siga creciendo a medida que los investigadores apliquen técnicas que han demostrado mejorar la eficiencia de otras células solares.

Snaith está trabajando para comercializar la tecnología a través de una empresa llamada Oxford Photovoltaics, que ha recaudado 4,4 millones de dólares (3,3 millones de euros). Grätzel, cuya tecnología original de célula solar se utiliza actualmente en productos de consumo tales como mochilas y cubiertas para el iPad, está otorgando licencias de uso de la nueva tecnología a empresas que tienen el objetivo de competir con los paneles solares de silicio convencionales para la producción de energía solar a gran escala.

Al igual que cualquier otro nuevo competidor en el altamente competitivo mercado de los paneles solares, las perovskitas tendrán dificultades para competir con las células solares de silicio. Los costes de las células solares de silicio están bajando, y algunos analistas creen que con el tiempo podrían caer hasta 25 centavos de dólar (19 céntimos de euro) por vatio, lo que eliminaría la mayor parte de la ventaja de costes de las perovskitas y disminuiría el incentivo para invertir en la nueva tecnología. Se espera que el proceso de fabricación de células solares de perovskita sea fácil, y puede ser tan simple como la difusión de un líquido sobre una superficie o la deposición de vapor (que es otro proceso de fabricación a gran escala). Sin embargo, históricamente, ampliar la escala de las nuevas tecnologías de células solares ha llevado más de una década, y las células solares de silicio podrían haber avanzado demasiado de aquí a una década como para alcanzarlas.

Green señala que una oportunidad podría residir en el uso de perovskitas para aumentar las células solares de silicio, en lugar de reemplazarlas. Podría ser posible pintar células solares de silicio convencionales con perovskitas para mejorar su eficiencia, y así reducir el coste general por vatio de las células solares. Esto podría ser una forma más fácil de entrar en el mercado solar que tratar de introducir un nuevo tipo de célula.

El hecho de que el material incluya una pequeña cantidad de plomo tóxico podría ser una dificultad añadida. Habrá que hacer pruebas para mostrar el grado de toxicidad como parte del material de la perovskita. También se pueden crear iniciativas para asegurar que las células solares son recogidas y recicladas, y evitar que los materiales lleguen al medio ambiente. Este es el enfoque adoptado hoy día con las baterías de arranque de plomo-ácido usadas ​​en los automóviles. También podría ser posible sustituir el plomo en las células por estaño o algún otro elemento.



La célula solar desarrollada por los investigadores del ICMol está formada por una capa de perovskita, un material híbrido orgánico-inorgánico de fácil síntesis y bajo coste, colocada entre dos capas ultra finas de semiconductores orgánicos, con un grosor total de menos de media micra (millonésima parte de un metro).

Se podrían colocar en las ventanas y, al mismo tiempo que frenaran la entrada de rayos solares, generarían electricidad
Hendrik Bolink explica que para su preparación “se han utilizado procesos de baja temperatura similar a los usados en la imprenta, lo que permite fabricar estos dispositivos sobre láminas de cristal o folios de plástico para que sean flexibles”.

La revolución de la perovskita

Además, “existe la posibilidad de hacer los dispositivos de apariencia semitransparente, una característica muy útil para el aprovechamiento solar desde los edificios, ya que, también por su poco espesor y bajo peso, se podrían colocar en las ventanas y, al mismo tiempo que frenaran la entrada de rayos solares, generarían electricidad”, agrega el investigador, quien apunta que empresas de la construcción ya han mostrado su interés.

Las células fotovoltaicas que convierten la luz solar directamente en electricidad usan en la mayor parte de los casos –alrededor del 85%– silicio cristalino como material activo, un producto muy caro, mientras que el resto está basado en capas delgadas de teluro de cadmio y sulfuro de cadmio, más económicas de producir, pero basadas en materias primas muy escasas y contaminantes por incluir cadmio.

Por este motivo, “la demostración de altas eficiencias en células solares de capa delgada usando materiales muy abundantes y baratos, como los que constituyen las perovskitas, abre la puerta para aumentar el porcentaje de energía solar en la mezcla de fuentes renovables”, según Bolink.



La perovskita es un mineral del grupo IV (óxidos) según la clasificación de Strunz; es un trióxido de titanio y de calcio (CaTiO3). Es un mineral relativamente raro en la corteza terrestre. La perovskita se cristaliza en el sistema cristalino ortorrómbico (pseudocúbico). Se encuentra en contacto con rocas metamórficas y asociada a máficas intrusivas, sienitas nefelinas, y raras carbonatitas. Fue descubierta en los Montes Urales de Rusia por Gustav Rose en 1839 y nombrada por el mineralogista ruso, L. A. Perovski (1792-1856).

La perovskita es también el nombre de un grupo más general de cristales que toman la misma estructura. La fórmula química básica sigue el patrón ABO3, donde A y B son cationes de diferentes tamaños (por ejemplo, LaMnO3). A es un catión grande y puede ser un alcalino, alcalinotérreo o lantánido, y B es un catión de tamaño medio con preferencia por la coordinación octaédrica, normalmente un metal de transición. La estructura perovskita se puede considerar relacionada con la del trióxido de renio, ReO3, donde las vacantes ordenadas -25%- del empaquetamiento compacto de oxígenos son ocupadas por el catión más voluminoso, A.

La estructura perovskita es adoptada por muchos sólidos inorgánicos con estequiometría ABX3. No siempre son óxidos metálicos mixtos; en la elpasolita (K2NaAlF6) tenemos el ejemplo de una familia de fluoruros importantes; la criolita (Na3AlF6) está relacionada con ella.

Formada bajo las condiciones de alta presión del manto de la Tierra, la estatita piroxeno (MgSiO3) es un polimorfismo que puede ser el mineral más común de la Tierra.

Paneles solares a partir de las baterías de coches

Un grupo de investigadores del MIT trabaja en un innovador proceso de desarrollo en el que utilizarán las baterías de coches para fabricar paneles solares

España.— Un grupo de investigadores del MIT, liderado por las profesoras Angela Belcher y Paula T. Hammond y respaldado por la empresa energética italiana Eni por conducto de la MIT Energy Initiative), ha descrito recientemente en la revista Energy & Environmental Science el proceso que han desarrollado para reciclar materiales presentes en baterías de coches desechadas (altamente contaminantes, a causa del plomo que incorporan) en resistentes paneles solares capaces de suministrar energía libre de emisiones.



Dicho sistema, basado en el uso de un compuesto llamado perovskita de haluro de plomo, ha sido notablemente mejorado desde los experimentos iniciales de 2012, y las células fotovoltaicas basadas en la perovskita ya logran una eficiencia de conversión de energía de más del 19 por ciento, y con ello son casi tan competitivas como las células solares comerciales basadas en silicio.

Aunque en un principio la presencia de plomo en este compuesto se consideró un inconveniente, se valoró el hecho de poder desviar un material destinado a contaminar en vertederos a la producción de energía limpia: una de las principales razones para centrar ahora la atención en el reciclaje de las viejas baterías de coches es el hecho de que la irrupción en el mercado de las nuevas baterías de iones de litio amenaza con romper en breve la cadena de reutilización del plomo para la construcción de nuevas baterías de plomo-ácido, por haber quedado éstas obsoletas.

Ahora, esta investigación del MIT será de gran utilidad para dar un uso sostenible a esos residuos. Una vez que se ha conseguido convertir la perovskita en una película de sólo medio micrómetro de espesor, sabemos que una única batería de coche podría producir paneles solares suficientes para suministrar energía a 30 hogares.

En un panel solar terminado, dicha capa de plomo quedaría totalmente encapsulada entre otros materiales, limitando así el riesgo de contaminación del medio ambiente. Cuando los paneles deban ser retirados, la capa de perovskita podrá ser reutilizada aún varias veces.

Además, al ser un material procesable a bajas temperaturas, la producción de células solares requiere menos tiempo y costo que la basada en silicio, por lo que resulta fácil de producir a gran escala. El ahorro es aún mayor si pensamos que libera de la necesidad de invertir en la búsqueda y extracción de nuevas fuentes de plomo.