Investigadores de la Universidad de Toronto han combinado dos tecnologías emergentes para la próxima generación de energía solar y han descubierto que cada una ayuda a estabilizar la otra. El material híbrido resultante es un paso importante hacia la reducción del coste de la energía solar, a la vez que multiplica las posibilidades de uso.
Hoy en día, prácticamente todas las células solares están hechas de silicio de alta pureza. Es una tecnología bien establecida, y en los últimos años el coste de fabricación ha bajado significativamente debido a las economías de escala. Sin embargo, el silicio tiene un límite superior de eficiencia. Un equipo dirigido por el profesor Ted Sargent está buscando materiales complementarios que puedan mejorar el potencial de captación solar del silicio mediante la absorción de longitudes de onda de luz que el silicio no puede.
«Dos de las tecnologías que aplicamos en nuestro laboratorio son los cristales de perovskita y los puntos cuánticos», dice Sargent. «Ambos son aptos para el procesamiento de soluciones. Imagínese una «tinta solar» que podría imprimirse en plástico flexible para crear células solares de bajo coste y flexibles. También podemos combinarlas delante o detrás de las células solares de silicio para mejorar aún más su eficiencia».
Uno de los principales retos a los que se enfrentan tanto las perovskitas como los puntos cuánticos es la estabilidad. A temperatura ambiente, algunos tipos de perovskitas experimentan un ajuste en su estructura cristalina 3D que las hace transparentes: ya no absorben completamente la radiación solar.
Por su parte, los puntos cuánticos deben estar cubiertos por una fina capa conocida como capa de pasivación. Esta capa, de sólo una molécula de espesor, evita que los puntos cuánticos se peguen entre sí. Pero las temperaturas superiores a 100 C pueden destruir la capa de pasivación, haciendo que los puntos cuánticos se agreguen o se aglutinen, arruinando su capacidad de cosechar luz.
En un artículo publicado hoy en Nature, un equipo de investigadores del laboratorio de Sargent reporta una forma de combinar perovskitas y puntos cuánticos que estabiliza ambos.
«Antes de hacer esto, la gente solía tratar de abordar los dos desafíos por separado», dice Mengxia Liu, autora principal del artículo.
«La investigación ha demostrado el crecimiento exitoso de estructuras híbridas que incorporan tanto perovskitas como puntos cuánticos», dice Liu, que ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Cambridge. «Esto nos inspiró a considerar la posibilidad de que los dos materiales se estabilizaran el uno al otro si compartían la misma estructura cristalina.»
Liu y el equipo construyeron dos tipos de materiales híbridos. Uno era principalmente puntos cuánticos con un 15% de perovskitas por volumen, y está diseñado para convertir la luz en electricidad. La otra era principalmente perovskitas con menos del 15% de puntos cuánticos por volumen, y es más adecuada para convertir la electricidad en luz, por ejemplo, como parte de un diodo emisor de luz (LED).
El equipo pudo demostrar que el material rico en perovskita permaneció estable bajo condiciones ambientales (25 C y 30% de humedad) durante seis meses, aproximadamente diez veces más que los materiales compuestos sólo por la misma perovskita. En cuanto al material de punto cuántico, cuando se calienta a 100 C, la agregación de las nanopartículas era cinco veces menor que si no hubieran sido estabilizadas con perovskitas.
«Ha demostrado nuestra hipótesis notablemente bien», dice Liu. «Fue un resultado impresionante más allá de nuestras expectativas.»
El nuevo papel es una prueba de concepto para la idea de que este tipo de materiales híbridos pueden mejorar la estabilidad. En el futuro, Liu espera que los fabricantes de células solares tomen sus ideas y las mejoren aún más para crear células solares procesadas por soluciones que cumplan con los mismos criterios que el silicio tradicional.
«Los investigadores industriales podrían experimentar utilizando diferentes elementos químicos para formar las perovskitas o puntos cuánticos», dice Liu. «Lo que hemos demostrado es que es una estrategia prometedora para mejorar la estabilidad en este tipo de estructuras».
«Las perovskitas han mostrado un enorme potencial como materiales solares, pero se necesitan soluciones fundamentales para convertirlas en materiales estables y robustos que puedan satisfacer los exigentes requisitos del sector de las energías renovables», dice Jeffrey C. Grossman, profesor de Sistemas Ambientales de Morton y Claire Goulder and Family y profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que no participó en el estudio. «El estudio de Toronto muestra una nueva y emocionante vía para avanzar en la comprensión y el logro de fases cristalinas estables de perovskita.»
Liu atribuye el descubrimiento en parte al entorno de colaboración del equipo, que incluía investigadores de muchas disciplinas, incluyendo química, física y su propio campo de la ciencia de los materiales.
«La perovskita y los puntos cuánticos tienen estructuras físicas distintas, y las similitudes entre estos materiales por lo general se han pasado por alto», dice. «Este descubrimiento muestra lo que puede pasar cuando combinamos ideas de diferentes campos.»