En las últimas dos décadas del siglo XXI, la energía solar se ha convertido en uno de los métodos de producción de energía más utilizados. Esta fuente energética aprovecha la energía radiante emitida por el Sol para utilizarse con diversos fines, como generar calor, electricidad o iniciar reacciones químicas. Tan importante es esta fuente fotovoltaica, que las últimas investigaciones muestran que la energía solar será en 2050 uno de los principales protagonistas de la producción energética, dado que es ilimitada y respetuosa con el medio ambiente.
En ese contexto, la ciencia y la tecnología moderna están descubriendo nuevos materiales que hacen más eficiente la generación de energía solar a partir de minerales que podrían reemplazar en el corto plazo a los basados en silicio, compuesto que ha dominado la industria fotovoltaica desde sus inicios.
Ese es el caso de la perovskita, un compuesto de calcio, titanio y oxígeno, que si bien fue descubierta en 1839 en los montes Urales por el conde y geólogo ruso Lev Perovski, recién en los últimos años ha captado el interés en la industria fotovoltaica.
En 2006, el interés se avivó cuando Tsutomu Miyasaka, de la Universidad de Toin en Japón, descubrió que algunas perovskitas son semiconductores y se mostraron especialmente prometedoras como base de un nuevo tipo de célula solar.
Según detalla la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de EEUU (SETO), las perovskitas de haluro son una familia de materiales que han demostrado tener potencial para un alto rendimiento y bajos costos de producción en células solares.
Esta alta eficiencia energética fue respaldada en informes de alrededor del 3% en 2009 a más del 25% en la actualidad y hasta un 33% mediante una combinación tecnológica reciente.
Así, las células solares de perovskita representan una tecnología fotovoltaica con un enorme potencial para su integración en paneles solares. Y ofrecen numerosas ventajas en comparación con las células solares de silicio convencionales, como la rentabilidad, una eficiencia superior y una mayor versatilidad en el diseño y la fabricación.
Actualmente, la gran mayoría de las células solares están compuestas de silicio. Aunque el silicio es un material ampliamente disponible y de gran utilidad, presenta inconvenientes en comparación con otros materiales, como la perovskita.
- Costo elevado: La producción de células solares de silicio, especialmente las fabricadas a partir de silicio monocristalino o policristalino, puede entrañar unos costes de fabricación relativamente elevados. A pesar de que los costes han disminuido con el tiempo, siguen siendo elevados en comparación con determinadas tecnologías alternativas.
- Limitaciones de eficiencia: las células solares de silicio están condicionadas por un límite de eficiencia de aproximadamente el 25-27%, lo que significa que su capacidad para transformar la luz solar en electricidad está restringida a un porcentaje específico. Esta limitación dificulta su capacidad para generar energía en condiciones de poca luz. También significa que una cantidad significativa de energía absorbida se desperdicia.
- Fragilidad: los paneles solares de silicio son relativamente frágiles y pueden resultar dañados por el granizo, los fuertes vientos o los impactos físicos, lo que los hace menos adecuados para determinados entornos, elevaciones y terrenos.
- Peso y tamaño: los paneles solares de silicio pueden ser pesados, lo que puede hacer que la instalación sea más compleja y costosa, especialmente para instalaciones en techos. Su tamaño y peso también pueden ser limitantes en algunas aplicaciones.
- Uso intensivo de recursos: la producción de células solares de silicio requiere una cantidad significativa de energía y materias primas, entre ellas silicio de alta pureza y diversos productos químicos. La extracción y el procesamiento de estos materiales pueden tener efectos ambientales muy negativos.
- Sensibilidad a la temperatura: las células solares de silicio pueden experimentar una caída de eficiencia a medida que se calientan. Esto significa que, en climas muy cálidos, su rendimiento puede verse reducido.
- Tiempo de recuperación de la energía: el tiempo que tarda un panel solar en generar tanta energía como la utilizada en su producción puede ser relativamente largo para las células solares de silicio, especialmente en comparación con otras tecnologías de energía renovable.
Por el contrario, las células solares de perovskita tienen varias ventajas sobre los paneles solares basados en silicio:
- Absorción de luz: la perovskita absorbe mucho mejor la luz en casi todas las longitudes de onda visibles, lo que le permite convertir más luz solar en electricidad.
- Amplio espectro: los materiales de perovskita se pueden “ajustar” para utilizar regiones del espectro solar en gran medida inaccesibles para los sistemas fotovoltaicos de silicio.
- Flexibilidad y peso ligero: los fabricantes pueden depositar rápidamente células solares de perovskita sobre diversas superficies, incluidas las flexibles y texturizadas. Esta propiedad hace que las células solares de perovskita sean ideales para su integración en materiales de construcción, ventanas e incluso vehículos. Su naturaleza delgada y ligera también las hace atractivas para aplicaciones espaciales.
- Fabricación escalable y de bajo costo: la procesabilidad de la solución de materiales de perovskita permite una fabricación escalable y de bajo costo.
Desafíos a superar con la perovskita
No obstante, existen ciertos obstáculos, en particular en lo que respecta a la estabilidad y la resistencia a largo plazo de las células de perovskita. A pesar del impresionante aumento de la eficiencia energética en un período relativamente corto, es necesario superar varios desafíos para que las células solares de perovskita se conviertan en una tecnología comercial competitiva.
Si bien las células solares de perovskita han demostrado eficiencias de conversión de energía (PCE) competitivas y tienen potencial para un rendimiento aún mayor, su estabilidad es menor en comparación con las tecnologías fotovoltaicas (PV) líderes. Las perovskitas son susceptibles a la descomposición cuando se exponen a la humedad, el oxígeno, períodos prolongados de luz, calor o voltaje aplicado.
Para mejorar su estabilidad, los investigadores están investigando activamente los procesos de degradación tanto dentro del propio material de perovskita como en las capas circundantes del dispositivo. Mejorar la durabilidad de estas células es de suma importancia en la búsqueda de productos solares de perovskita comerciales viables.
Los grupos de investigación informan los resultados de rendimiento en función de condiciones de prueba muy variadas, que incluyen diferentes enfoques de encapsulación, composiciones atmosféricas, iluminación, polarización eléctrica y otros parámetros.
En definitiva, la comunidad de investigación y desarrollo (I+D) de la perovskita fotovoltaica se centra en gran medida en la vida útil operativa y está considerando múltiples enfoques para comprender y mejorar la estabilidad y la degradación.
Aplicaciones de las células solares de perovskita
Las células solares de perovskita, con su notable eficiencia y versatilidad, no son tan solo una innovación más en el campo de las energías renovables. La integración de estas células en diversas infraestructuras y aplicaciones permite crear un sistema energético más sostenible y eficiente.
A continuación se muestran algunas formas de utilizar paneles para integrar células solares de perovskita en diferentes infraestructuras:
- Fotovoltaica integrada en edificios: una de las aplicaciones más interesantes de las células solares de perovskita es su integración en la infraestructura urbana, conocida como energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV). La BIPV incorpora paneles solares sin problemas en el diseño de los edificios, transformándolos en estructuras generadoras de energía. A diferencia de los voluminosos paneles solares tradicionales, las células solares de perovskita pueden ser flexibles y transparentes, lo que ofrece a los arquitectos y diseñadores una libertad creativa sin igual.
- Integración con baterías y supercondensadores para sistemas de almacenamiento de energía: los investigadores pueden integrar células solares de perovskita con dispositivos de almacenamiento de energía como baterías y supercondensadores para crear paquetes de energía que se recargan automáticamente. Esta combinación permite la conversión y el almacenamiento eficientes de energía solar en baterías solares, lo que proporciona una fuente de energía sostenible y confiable. Estos sistemas integrados tienen aplicaciones potenciales en electrónica portátil, teledetección y otras áreas donde la autonomía energética es crucial.
- Catálisis impulsada por energía fotovoltaica: las células solares de perovskita también se pueden utilizar en catálisis impulsada por energía fotovoltaica, aprovechando la energía solar para impulsar reacciones químicas. Las propiedades únicas de las perovskitas, como la alta capacidad de absorción de la luz y los intervalos de banda ajustables, las hacen adecuadas para aplicaciones fotocatalíticas. La catálisis impulsada por energía fotovoltaica tiene aplicaciones potenciales en la generación de combustible impulsada por energía solar, la reducción de CO2 y otros procesos de energía sostenible.
