¿Qué frena la adopción masiva de las células solares de perovskita?

¿Qué tienen de especial las células solares de perovskita?

Lascélulas solares de perovskita son una clase joven de dispositivos fotovoltaicos que han atraído instantáneamente la atención en el campo de las energías renovables. Su nombre procede de una estructura cristalina común en un gran número de minerales. Estas nuevas células absorben fuertemente la luz y la convierten eficazmente en electricidad con una alta eficiencia de conversión de potencia. Muchos grupos han demostrado eficiencias de conversión de potencia que compiten, e incluso superan, a las de las células solares de silicio tradicionales. Son prometedoras por la sencillez química y el bajo coste de sus materiales.

Estas células solares han despertado interés porque ofrecen un nuevo enfoque. Sus propiedades las hacen aptas para su integración en distintos entornos. En el laboratorio, las células solares de perovskita se han cultivado mediante el procesamiento de soluciones a baja temperatura. La misma técnica puede permitir la impresión rollo a rollo en sustratos flexibles. Este proceso es similar a la impresión de periódicos, lo que allana el camino para una producción rentable. En muchos casos, estas células pueden fabricarse sobre plástico en lugar de vidrio rígido. Esto abre muchas aplicaciones, desde la fotovoltaica integrada en edificios hasta la electrónica portátil. Sin embargo, sigue habiendo problemas para producir estas películas a gran escala de forma fiable.

Principales ventajas de las células solares de perovskita

Entre otras muchas ventajas, las células solares de perovskita poseen varios beneficios únicos frente a las tecnologías de células solares convencionales.

- Alta eficiencia de conversión de potencia: Presentan una eficiencia de conversión equiparable a la de las células basadas en silicio. En algunas pruebas de laboratorio, estas células han alcanzado eficiencias cercanas al 25%.

- Bajo coste de fabricación: Durante el proceso de producción se pueden utilizar métodos de procesado por disolución y técnicas de bobinado. Este proceso permite reducir el consumo de energía y los residuos de material en comparación con la fabricación de silicio a alta temperatura.

- Diseño flexible y ligero: Las capas finas y flexibles los hacen aptos para su inclusión en materiales de construcción y electrónica portátil. Un ejemplo de ello es que las capas de perovskita ya se han probado en ventanas y superficies curvas, lo que indica la facilidad con la que pueden adaptarse a muchas condiciones únicas.

- Alta absorción y propiedades de banda prohibida sintonizable: El material de perovskita puede diseñarse fácilmente para absorber una amplia gama del espectro solar. Esto mejora el rendimiento en diferentes condiciones de luz.

Estas ventajas han mantenido las células solares de perovskita en el punto de mira de investigadores, inversores e industrias. Ofrecen el tipo de ventajas que las tecnologías tradicionales de células solares a veces no pueden igualar. Su impacto potencial es grande teniendo en cuenta la reducción de los costes de producción y la aplicación de las células en diversos escenarios.

Principales retos de la ampliación de las células solares de perovskita

A pesar de sus prometedoras ventajas, la ampliación de las células solares de perovskita para su uso masivo en el mercado se ve obstaculizada en gran medida por una serie de retos.

- Estabilidad y durabilidad: Uno de los retos más discutidos es que, bajo presión ambiental, las células solares de perovskita se degradan. La presencia de humedad, altas temperaturas y luz ultravioleta tiende a acortar su vida útil. El problema de la degradación es similar a lo que ocurre en muchos materiales sensibles que no han alcanzado niveles de producción maduros.

- Toxicidad del plomo: La mayoría de las células solares de perovskita contienen plomo. Esto genera preocupación medioambiental y supone un riesgo en caso de que el plomo se filtre a los ecosistemas. El uso de plomo implica una mayor precaución en la producción, el funcionamiento y el posible reciclaje de las células.

- Reproducibilidad y uniformidad: Es difícil fabricar películas de perovskita de gran superficie con la misma calidad. En el laboratorio, los dispositivos más pequeños muestran resultados muy prometedores. Sin embargo, cuando los investigadores intentan preparar películas más grandes y uniformes, suelen presentar defectos y variaciones en el rendimiento.

- Retos de fabricación: La integración de las células solares de perovskita en las líneas de fabricación existentes no es tarea fácil. Los nuevos procedimientos que son viables en el laboratorio tienen que adaptarse a la producción industrial. El rendimiento constante a gran escala sigue siendo un gran reto para los fabricantes.

Estos retos apuntan a la razón por la que las células solares de perovskita, aunque prometedoras, aún no han alcanzado un amplio despliegue comercial. Cada uno de estos puntos requiere una investigación y unas pruebas serias antes de que la tecnología salga del laboratorio.

Obstáculos tecnológicos y comerciales

El camino hacia la adopción masiva en el mercado está plagado de retos técnicos y comerciales.

- Avances limitados en la estabilidad operativa a largo plazo: Aunque los resultados a corto plazo en los laboratorios son impresionantes, las instalaciones del mundo real exigen que las células solares funcionen eficazmente durante décadas. Queda mucho por hacer para garantizar la fiabilidad a largo plazo.

- Problemas con la ampliación del procesamiento de soluciones para dispositivos de gran superficie: Los procesos que están dando una alta eficiencia a pequeña escala no son fácilmente escalables a paneles mucho más grandes. Esta carencia es uno de los mayores obstáculos para las empresas que quieren invertir en la producción a gran escala.

- Compromiso entre producción a gran escala, coste y rendimiento: el rendimiento debe sopesarse con el coste de producción. En la práctica, las mejoras en estabilidad y eficiencia pueden implicar costes más elevados. Este es el importante equilibrio que dará a las células una ventaja competitiva frente a las tecnologías establecidas.

- Falta de infraestructura en la comercialización: Aún no existe una cadena de suministro plenamente desarrollada ni instalaciones de producción dedicadas a estas nuevas células solares. Esta laguna afecta al ritmo al que las células pueden integrarse en los mercados solares establecidos. Las industrias y los inversores esperan una demostración más sólida de madurez tecnológica.

Estos retos reflejan la razón por la que tanto el mundo académico como la industria andan con cuidado en el proceso de comercialización de las células solares de perovskita. El progreso tiene que ser gradual; cada reto debe gestionarse con cuidado para generar confianza en la tecnología.

Posibles soluciones y avances

No existe una respuesta única a los problemas de ampliación de las células solares de perovskita. Los investigadores están realizando diversas mejoras para superar estos problemas.

Se han aplicado varias técnicas, como la encapsulación y los aditivos, para que la capa de perovskita sea resistente a la humedad y la temperatura. Por ejemplo, la película protectora protegería las capas activas del estrés ambiental.

- Alternativas no tóxicas a las perovskitas a base de plomo: La sustitución del plomo por elementos menos tóxicos está en marcha. Los candidatos en fase inicial utilizan estaño u otros metales. En general, estas alternativas de segunda generación tienen que mantener una alta eficiencia, al tiempo que garantizan una disminución considerable de los riesgos medioambientales.

- Avances en tecnologías de impresión y técnicas de fabricación escalables: Se están perfeccionando nuevos métodos de impresión y procesos rollo a rollo. Varias líneas piloto han demostrado que es posible imprimir dispositivos de gran superficie con un rendimiento constante.

- Perovskitas híbridas y células solares en tándem: El uso de perovskitas junto con otros materiales en tándem tiene el potencial de proporcionar estabilidad y mayor rendimiento. Algunos dispositivos prototipo ya demuestran que esto puede lograrse con un enfoque por capas para combinar las características de distintos materiales.

Con cada nuevo estudio, las células solares de perovskita están un paso más cerca de cumplir los criterios técnicos y comerciales. El trabajo es concienzudo y cuidadoso, equilibrando la innovación con consideraciones de seguridad y coste. Para más información sobre las células solares de perovskita, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Cuál es la principal ventaja de las células solares de perovskita?

Poseen la ventaja de una alta eficiencia y un bajo coste, por lo que encuentran aplicaciones en diversos campos.

F: ¿Cuál es el mayor reto a la hora de aumentar su producción?

Garantizar la estabilidad y uniformidad a largo plazo en la fabricación de grandes superficies sigue siendo uno de los retos fundamentales.

F: ¿Hay formas de reducir la toxicidad del plomo en las células de perovskita?

P: Sí, se están investigando alternativas no tóxicas y técnicas de estabilización para controlar los riesgos medioambientales.

Referencias:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). Una revisión sobre los aspectos de la ingeniería aditiva en las células solares de perovskita. Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.