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domingo, abril 21, 2024

Los investigadores dan un gran paso hacia el desarrollo de células solares de próxima generación


El mundo de la energía solar está listo para una revolución. Los científicos se apresuran a desarrollar un nuevo tipo de célula solar utilizando materiales que puedan convertir la electricidad de manera más eficiente que los paneles actuales.

En un nuevo artículo publicado el 26 de febrero en la revista Energía de la naturalezaun investigador de la Universidad de Colorado en Boulder y sus colaboradores internacionales dieron a conocer un método innovador para fabricar las nuevas células solares, conocidas como células de perovskita, un logro fundamental para la comercialización de lo que muchos consideran la próxima generación de tecnología solar.

Hoy en día, casi todos los paneles solares están hechos de silicio, y cuentan con una eficiencia del 22%. Esto significa que los paneles de silicio sólo pueden convertir alrededor de una quinta parte de la energía solar en electricidad, porque el material absorbe sólo una proporción limitada de las longitudes de onda de la luz solar. La producción de silicio también es cara y consume mucha energía.

Introduzca la perovskita. El material semiconductor sintético tiene el potencial de convertir sustancialmente más energía solar que el silicio a un costo de producción más bajo.

«Las perovskitas podrían cambiar las reglas del juego», dijo Michael McGehee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biológica y miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible de CU Boulder.

Los científicos han estado probando células solares de perovskita apilándolas encima de células de silicio tradicionales para formar células en tándem. La colocación de dos materiales en capas, cada uno de los cuales absorbe una parte diferente del espectro solar, puede aumentar potencialmente la eficiencia de los paneles en más del 50%.

«Todavía estamos viendo una rápida electrificación, con más automóviles funcionando con electricidad. Esperamos retirar más plantas de carbón y eventualmente deshacernos de las plantas de gas natural», dijo McGehee. «Si crees que vamos a tener un futuro totalmente renovable, entonces estás planeando que los mercados eólico y solar se expandan al menos entre cinco y diez veces desde donde están hoy».

Para lograrlo, afirmó, la industria debe mejorar la eficiencia de las células solares.

Pero un desafío importante al fabricarlos a partir de perovskita a escala comercial es el proceso de recubrir el semiconductor sobre las placas de vidrio que son los componentes básicos de los paneles. Actualmente, el proceso de recubrimiento tiene que realizarse en una pequeña caja llena de gas no reactivo, como nitrógeno, para evitar que las perovskitas reaccionen con el oxígeno, lo que disminuye su rendimiento.

«Esto está bien en la etapa de investigación, pero cuando comienzas a recubrir grandes piezas de vidrio, se vuelve cada vez más difícil hacerlo en una caja llena de nitrógeno», dijo McGehee.

McGehee y sus colaboradores partieron para encontrar una manera de evitar esa reacción dañina con el aire. Descubrieron que agregar formiato de dimetilamonio, o DMAFo, a la solución de perovskita antes del recubrimiento podría evitar que los materiales se oxidaran. Este descubrimiento permite que el recubrimiento se realice fuera de la pequeña caja, en el aire ambiente. Los experimentos demostraron que las células de perovskita fabricadas con el aditivo DMAFo pueden alcanzar una eficiencia de casi el 25% por sí solas, comparable al récord actual de eficiencia de las células de perovskita del 26%.

El aditivo también mejoró la estabilidad de las células.

Los paneles de silicio comerciales normalmente pueden mantener al menos el 80% de su rendimiento después de 25 años, perdiendo alrededor del 1% de eficiencia por año. Las células de perovskita, sin embargo, son más reactivas y se degradan más rápidamente en el aire. El nuevo estudio demostró que la célula de perovskita fabricada con DMAFo conservaba el 90% de su eficiencia después de que los investigadores las expusieran a luz LED que imitaba la luz solar durante 700 horas. Por el contrario, las células creadas en el aire sin DMAFo se degradaron rápidamente después de sólo 300 horas.

Si bien se trata de un resultado muy alentador, en un año se realizan 8.000 horas, señaló. Por lo tanto, se necesitan pruebas más largas para determinar cómo estas células resisten el tiempo.

«Es demasiado pronto para decir que son tan estables como los paneles de silicio, pero estamos en una buena trayectoria hacia eso», dijo McGehee.

El estudio acerca las células solares de perovskita un paso más a la comercialización. Al mismo tiempo, el equipo de McGehee está desarrollando activamente células en tándem con una eficiencia real superior al 30 % y que tienen la misma vida útil que los paneles de silicio.

McGehee lidera una asociación entre la industria y la academia estadounidense llamada Tándems para módulos eficientes y avanzados que utilizan perovskitas ultraestables (TEAMUP). Junto con investigadores de otras tres universidades, dos empresas y un laboratorio nacional, el consorcio recibió el año pasado una financiación de 9 millones de dólares del Departamento de Energía de Estados Unidos para desarrollar perovskitas en tándem estables que puedan utilizarse en el mundo real y sean comercialmente viables. El objetivo es crear un tándem más eficiente que los paneles de silicio convencionales e igualmente estable durante un período de 25 años.

Con mayor eficiencia y precios potencialmente más bajos, estas células en tándem podrían tener aplicaciones más amplias que los paneles de silicio existentes, incluida la posible instalación en los techos de vehículos eléctricos. Podrían añadir entre 24 y 40 kilómetros de autonomía por día a un coche expuesto al sol, suficiente para cubrir los desplazamientos diarios de muchas personas. Los drones y los veleros también podrían funcionar con estos paneles.

Después de una década de investigación en perovskitas, los ingenieros han construido células de perovskita que son tan eficientes como las células de silicio, que se inventaron hace 70 años, dijo McGehee. «Estamos llevando las perovskitas a la meta. Si los tándems funcionan bien, ciertamente tienen el potencial de dominar el mercado y convertirse en la próxima generación de células solares», afirmó.



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