Investigadores desarrollan un nuevo método para elevar la eficiencia de las células solares de perovskita al 26%

Los investigadores han desarrollado un nuevo método que, al controlar el proceso de cristalización del material, aumenta la eficiencia y la durabilidad de las células solares de perovskita. El estudio muestra que una fase líquida temporal ayuda a generar cristales más grandes y uniformes, y a reducir los defectos. El equipo, codirigido por investigadores de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), ha empleado este método para mejorar las células solares y los diodos emisores de luz basados en perovskita. Estos dispositivos alcanzan eficiencias de aproximadamente el 24 % al 26 %, entre los valores más altos reportados para dispositivos de perovskita.

Las células solares fabricadas con esta técnica retienen la mayor parte de su eficiencia inicial tras ocho semanas de funcionamiento continuo bajo luz solar simulada. La fase líquida favorece el crecimiento cristalino; los materiales de perovskita contribuyen a hacer la tecnología solar más económica y a ofrecer alta eficiencia. Estos materiales pueden procesarse a partir de soluciones líquidas y depositarse en forma de películas finas, lo que, en comparación con las células solares de silicio tradicionales, podría reducir la energía y la complejidad necesarias para la fabricación. Sin embargo, la producción de películas finas de perovskita de alta calidad sigue planteando desafíos. Estas películas suelen contener numerosos cristales pequeños; los límites entre ellos se denominan fronteras de grano. Los defectos en estas zonas pueden provocar pérdidas de energía, lo que reduce el rendimiento del dispositivo. El problema se vuelve más acusado cuando los fabricantes intentan producir paneles solares de mayor superficie, porque mantener la eficiencia en áreas más extensas resulta difícil.

Solución al problema del crecimiento cristalino

Para resolver este problema, el equipo de investigación liderado por el profesor de Química e Ingeniería Nanotecnológica de UC San Diego, David Fenning, colaboró con colegas de la Universidad de Princeton y de la Universidad Sungkyunkwan de Corea del Sur. Añadieron bromuro de zinc y cloruro de metilamonio a la solución utilizada para producir un material llamado perovskita de haluro. Al calentarse, estos aditivos forman una mezcla de bajo punto de fusión conocida como eutéctico. Esta mezcla crea un líquido temporal alrededor de los bordes de los cristales en crecimiento, permitiendo que estos se reordenen y formen una estructura más ordenada.

A medida que continúa el calentamiento, el cloruro de metilamonio se evapora, dejando el zinc concentrado alrededor de los bordes de los cristales. El zinc residual ayuda a neutralizar defectos electrónicos que podrían interferir con el movimiento de cargas. «Hemos introducido una nueva forma de regular el crecimiento de la perovskita de haluro mediante el desarrollo de una mezcla de aditivos que evoluciona activamente durante el proceso de cristalización», afirma Connor Dolan, coautor principal del estudio y doctor en Química e Ingeniería Nanotecnológica por el laboratorio de Fenning. «Lo más interesante es que el producto final elimina los defectos limitantes del rendimiento en los bordes de los granos cristalinos.»

Los investigadores utilizaron avanzadas técnicas de imagen por rayos X para observar los cambios en el material a escala extremadamente pequeña. Sus mediciones muestran que, durante el calentamiento, las zonas alrededor de los bordes de los cristales se vuelven desordenadas y semejantes a un líquido, para luego volver a un estado ordenado tras la evaporación de las sales adicionales y la finalización del crecimiento cristalino. El tratamiento produce cristales más grandes, con menos defectos estructurales y una distribución más uniforme de las propiedades químicas. Los investigadores también se interesan por entender por qué esta transición sólido-líquido-sólido ocurre a la misma temperatura.

Potencial para mejorar el rendimiento del dispositivo

La estructura cristalina mejorada se traduce en un mejor rendimiento del dispositivo. En las células solares, la luz solar excita electrones y deja huecos con carga positiva. El tiempo que sobreviven estos pares electrón-hueco ayuda a indicar la eficacia con la que el material soporta la conversión solar. «La perovskita fabricada con los aditivos formados por eutéctico presenta los pares electrón-hueco de mayor duración registrados hasta la fecha en todos los semiconductores de banda prohibida directa, lo que demuestra el potencial de este método», señala Dolan. Los investigadores también probaron el método en distintas composiciones de perovskita, comprobando que funciona en todos los sistemas químicos que examinaron.

«¡Parece que cada una que probamos funciona!», añade Dolan. «Espero que este mecanismo tenga la oportunidad de ser verdaderamente universal y proporcione una plataforma para más innovaciones en la comunidad de la perovskita.» El equipo está investigando actualmente otras mezclas eutécticas para controlar mejor el proceso de cristalización. Los investigadores esperan que este método ofrezca una estrategia más amplia para producir materiales de perovskita de alta calidad y respaldar el desarrollo de tecnologías solares de alta eficiencia que puedan fabricarse a mayor escala. El estudio se ha publicado en la revista Science.

Ítem	Especificación
Eficiencia	24% - 26%
Duración de la prueba	ocho semanas

Avance en la tecnología de células solares de perovskita

Las células solares de perovskita han atraído una amplia atención por su potencial alta eficiencia y economía. Este estudio demuestra que, mediante el control del proceso de cristalización, es posible mejorar significativamente el rendimiento de las células y reducir los defectos, lo que resulta crucial para impulsar la comercialización de la tecnología de perovskita. A medida que crece la demanda de tecnología solar, este nuevo método podría convertirse en la clave para la futura producción de células solares de alta eficiencia. Los continuos esfuerzos del equipo de investigación también muestran que queda amplio margen para la innovación en el desarrollo de materiales de perovskita.