Las células fotovoltaicas de perovskita han pasado de un rendimiento del 4% al 16% en unos pocos años y son una buena promesa para la energía solar.
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Según el Programa de Medio Ambiente de las Naciones Unidas el 44% de potencia eléctrica instalada el año pasado en el mundo fue de naturaleza renovable, pese a que la inversión en este tipo de fuentes de energía cayó un 14%. Los costes de las instalaciones eólicas y solares han caído fuertemente y se espera que lo hagan más en el futuro. Este tipo de energías ya son competitivas y rentables en algunas de sus versiones.
Una de las formas de energía solar que se ha abaratado mucho es la energía solar fotovoltaica. Una instalación para una casa unifamiliar ya es rentable y amortizable en pocos años si no se emplean baterías y se usa la red normal cuando no hay sol.
Normalmente se usan células de silicio para este fin, pero desde hace unos años se investiga con otras tecnologías. El silicio ya tiene de un moderado a un alto rendimiento, pero es caro de producir. El problema es que hay que fundirlo y luego fabricar monocristales de los cuales se cortan las obleas. Ahora se aprovecha muy bien este material y las obleas son muy finas, pero para fundir silicio se necesita mucha energía. Esta es la razón por la cual una célula solar tarda unos pocos años en suministrar la energía que se necesitó para fabricarla. La gran ventaja del silicio es que es un elemento muy abundante que se puede obtener de simple arena que contenga cuarzo.
Las técnicas que permiten conseguir células fotovoltaicas (CF) de alto rendimiento, como las multicapas de arseniuro de galio, son todavía muy caras y sólo se utilizan en satélites artificiales. Además, algunos elementos que se usan en estas células no son abundantes en la corteza terrestre.
Una línea de investigación es usar polímeros (plásticos) para la confección de CF. Pese a los problemas de resistencia frente a los rayos UV y bajo rendimiento, se ha conseguido avanzar en este tema. Otra línea usa pigmentos y cristales de óxido de titanio, que es muy barata, pero su durabilidad es escasa.
La línea en la que nos vamos a centrar en este artículo es en la que se usan perovskitas. Las perovskitas toman el nombre de un mineral hallado en los Urales, pero hay perovskitas de muchos tipos. Básicamente una perovskita es un compuesto que adopta una determinada estructura cristalina. Así por ejemplo, los superconductores de alta temperatura, como el YBaCuO, son perovskitas.
El caso es que determinadas perovskitas presentan propiedades fotovoltaicas y, lo que es mejor, no necesitan de procesos de fundido y alta temperatura para hacer crecer sus cristales. Basta usar técnicas húmedas de disolución de tipo impresión o evaporativas para conseguirlo. Además pueden ser sintonizadas para que absorban mejor una determinada parte del espectro solar. Esto permite la obtención de células multicapas baratas de alto rendimiento, al menos en teoría.
En la práctica la situación promete, pues se ha pasado de un rendimiento del 3,8% en 2009 al 16% actual, una mejora mucho más rápida que con otras técnicas. En el National Renewable Energy Laboratory (NREL) se ha venido investigado esta línea durante los últimos años con bastante éxito.
La gran ventaja de este tipo de materiales para esta aplicación es que difunden los fotones de luz una mayor distancia a lo largo de la célula, lo que reduce la posibilidad de que los electrones se recombinen con sus agujeros y se pierda corriente eléctrica. La longitud de difusión es 10 veces mayor que la longitud de absorción. Esta característica permite pensar en dispositivos de alta eficiencia y bajo coste.
En el NREL predicen que habrá dos caminos posibles para el desarrollo de esta tecnología. En uno se tratará de mejorar el rendimiento independientemente del costo y en el otro de abaratar lo máximo posible las CF que se obtengan. Caminos que quizás converjan en el futuro. Hay varios laboratorios en el mundo en los que se investiga en este campo.
Se estima que el máximo rendimiento en este tipo de materiales se sitúa en un 31%, pero en células multicapas se superaría esta eficiencia.
La meta práctica que quieren alcanzar en el NREL es del 28%. Este laboratorio ya ha tenido éxito con materiales más convencionales al alcanzar un 31,1% de eficiencia real en sistemas de concentración con células de arseniuro de galio indio y fósforo.
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Fuentes y referencias:
Nota de prensa. [2]
Foto: Dennis Schroeder.