Los científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva capa protectora que extiende significativamente la vida útil de las células solares de perovskita, haciéndolas más prácticas para aplicaciones fuera del laboratorio.
Aunque las células solares de perovskita son más eficientes y menos costosas que las células solares de silicio convencionales, hasta ahora la perovskita se ha visto limitada por la falta de estabilidad a largo plazo. Normalmente, las células solares de perovskita utilizan una capa de recubrimiento a base de amonio para aumentar la eficiencia. Aunque son efectivos, los recubrimientos a base de amonio se degradan bajo estrés ambiental, como el calor y la humedad.
Los investigadores de Northwestern han desarrollado una capa mucho más resistente, basada en aluminio.
En los experimentos, el nuevo revestimiento resultó 10 veces más resistente a la corrosión que los revestimientos convencionales a base de amonio. Aún mejor: las células recubiertas de imidinio también triplicaron la T de la célula.90 Vida útil: el tiempo que tarda la eficiencia de una celda en caer al 90 % de su valor inicial cuando se expone a condiciones adversas.
La investigación se publicará en la revista el viernes (22 de noviembre). Ciencia.
“El campo ha estado trabajando en la estabilidad de las células solares de perovskita durante mucho tiempo”, dijo Bin Chen de Northwestern, quien codirigió el estudio. “Hasta ahora, la mayoría de los informes se han centrado en mejorar la estabilidad del material de perovskita, ignorando las capas protectoras. Al mejorar la capa protectora, hemos podido aumentar la eficiencia general de las células solares”.
“Este trabajo aborda una de las barreras para la adopción generalizada de células solares de perovskita: la estabilidad en condiciones del mundo real”, dijo Mercury Kanatzidis de Northwestern, quien codirigió el estudio. “Al mejorar químicamente las capas protectoras, hemos mejorado significativamente la durabilidad de estas células sin comprometer su rendimiento excepcional, brindándonos una alternativa práctica y de bajo costo a la energía fotovoltaica basada en silicio.
Chen es profesor asociado de investigación de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Codirigió el estudio con Ted Sargent, Lynn Hopton-Davis y Greg Davis, profesor de química Weinberg y profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería McCormick y profesores Kanatzidis, Charles E. y Emma H. Morrison. Yi Yang, becario postdoctoral en Weinberg que consultó en colaboración con Sargent y Kanatzidis, es el primer autor del artículo.
Perovskita como sustituto del silicio.
En uso durante décadas, el silicio es el material más utilizado para la capa absorbente de luz en las células solares. Si bien el silicio es duradero y fiable, su producción es costosa y está alcanzando límites de rendimiento. En la búsqueda de células solares de bajo costo y alta eficiencia, los investigadores comenzaron recientemente a explorar una familia de compuestos cristalinos, las perovskitas.
Aunque parece prometedora como alternativa rentable al silicio, la perovskita tiene una vida útil relativamente corta. La exposición prolongada a la luz solar, las fluctuaciones extremas de temperatura y la humedad hacen que las células solares de perovskita se degraden con el tiempo.
Para superar este desafío, los investigadores agregaron ligandos de amidinio, moléculas estables que pueden interactuar con la perovskita para eliminar defectos duraderos y proporcionar efectos protectores. Las moléculas a base de amonio contienen un átomo de nitrógeno rodeado por tres átomos de hidrógeno y un grupo que contiene carbono, mientras que las moléculas a base de amonio contienen un átomo de carbono central unido a dos grupos amino. Debido a que su estructura permite que los electrones se difundan uniformemente, las moléculas de imidina son más flexibles en condiciones difíciles.
“Las células solares de perovskita más avanzadas suelen tener ligandos de amonio como capa de paso”, dijo Yang. “Pero el amonio se descompone bajo estrés térmico. Hicimos algo de química para convertir el amonio inestable en imidio, más estable”.
Los investigadores lograron esta transformación mediante un proceso llamado imidinación, en el que el grupo amonio se reemplaza por un grupo amidonio más estable. Esta innovación evitó que las células de perovskita se descompusieran con el tiempo, especialmente cuando se exponen a calor extremo.
Resultados récord
La célula solar resultante alcanzó una impresionante eficiencia del 26,3 por ciento, lo que significa que convirtió con éxito el 26,3 por ciento de la luz solar absorbida en electricidad. La célula solar revestida conservó el 90 por ciento de su eficiencia inicial después de 1.100 horas de pruebas en condiciones difíciles, lo que demuestra T .90 Vida tres veces más larga cuando se expone al calor y la luz.
Estos experimentos marcan el último ejemplo de rendimiento mejorado de las células solares de perovskita del laboratorio Sargent. En 2022, el equipo de Sargent desarrolló una célula solar de perovskita que batió récords de eficiencia energética y voltaje. En 2023, su equipo introdujo una célula solar de perovskita con estructura invertida, que también mejoró su eficiencia energética. Y a principios de este año, el grupo de Sargent añadió cristales líquidos para reducir los defectos en las películas de perovskita, aumentando el rendimiento del dispositivo.
“Las células solares basadas en perovskita tienen el potencial de contribuir a descarbonizar el suministro eléctrico una vez que finalicemos sus diseños, logremos la combinación de eficiencia y durabilidad y escalemos los dispositivos”, dijo Sargent, director del Instituto de Capacitación Paula M. Sostenibilidad y Energía. “El principal obstáculo para la comercialización de células solares de perovskita es su estabilidad a largo plazo. Pero debido a su introducción desde hace décadas, el silicio todavía tiene ventajas en algunas áreas, incluida la estabilidad. Trabajamos para cerrar esta brecha”.
Esta investigación está directamente relacionada con el pilar Generar, uno de los seis pilares de descarbonización del Instituto Trinance. Como parte del pilar Generar, Northwestern se compromete a crear una nueva clase de generación de energía solar centrándose en células solares de uniones múltiples de alta eficiencia y materiales de células solares de próxima generación. Kanatzidis es copresidente docente del pilar y Chen es el líder de implementación.
