El papel de las perovskitas en el diseño de paneles solares más económicos y versátiles
La energía solar fotovoltaica se obtiene al convertir la luz solar en electricidad, mediante el empleo de una tecnología basada en el efecto fotoeléctrico. Este tipo de energía se puede producir en instalaciones que van desde los pequeños generadores para autoconsumo hasta las grandes placas fotovoltaicas. Entre sus grandes ventajas se encuentra el ser renovable, inagotable y no contaminante. Su expansión, al igual que la del resto de las renovables, es muy importante para la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible 7 y 13: Energía asequible y no contaminante; y Acción por el clima, respectivamente. Y en todo ello resultan de gran interés las perovskitas, una familia de materiales que permite mejorar la eficacia, disminuir el coste y facilitar la instalación de los paneles fotovoltaicos.
Las perovskitas son una familia de materiales que presentan la misma estructura cristalina que el titanato de calcio (CaTiO3), mineral descubierto en 1839 por Gustav Rose y denominado perovskita en honor al mineralogista L.A. Perovski.
Se trata de un mineral relativamente raro en la corteza terrestre. En cambio, sí son abundantes los materiales tipo perovskita, que presentan la estructura ABX3, donde A y B son cationes (átomo o grupo atómico con carga positiva) de diferente tamaño y X es un anión (átomo o grupo atómico con carga negativa) unido a ambos.
Propiedades de las perovskitas
Estos materiales presentan propiedades muy interesantes, como la magnetoresistencia, que implica el cambio de la resistencia eléctrica al variar el campo magnético y que es fundamental en el proceso de lectura de los discos duros. Además, algunas perovskitas presentan ferroelectricidad, lo que las convierte en elementos imprescindibles en dispositivos electrónicos.
Pero en el área de la energía son sus propiedades optoelectrónicas, asociadas a su estructura cristalográfica, las que permiten su alta efectividad a la hora de convertir la luz solar en electricidad, algo que tiene gran interés para diseñar paneles solares más económicos y versátiles.
Estructura de la perovskita. Las esferas rojas son átomos de oxígeno, las de azul oscuro son los pequeños cationes del metal B, y las verdes son los cationes metálicos A más voluminosos. / https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perovskite.jpg
Paneles solares de perovskitas
Las células solares de perovskita son de película delgada y su funcionamiento es similar a las que componen los paneles tradicionales de silicio: un semiconductor absorbe la energía solar e inicia un flujo de electrones, que se captura mediante el cableado y se convierte en electricidad utilizable. Ahora bien, la principal diferencia entre las obleas de silicio y las perovskitas se basa en su estructura. Estas últimas tienen una estructura cristalográfica única que las hace altamente efectivas para la conversión de fotones de luz solar en electricidad utilizable y que las ha convertido en una de las tecnologías más prometedoras al alcanzar rendimientos comparables a las de silicio en muy poco tiempo.
Las ventajas que presentan estos materiales son numerosas. Los investigadores pueden sintetizar las perovskitas combinando casi todos los elementos químicos, testar sus propiedades y determinar la composición que produce mejores rendimientos. Recordemos que las propiedades van asociadas a la estructura cristalográfica.
Los costes de producción y de instalación de estas celdas son más económicos, lo que puede favorecer el autoconsumo. Además, al ser de película delgada, son más flexibles, ligeras y semitransparentes lo que hace más versátil la instalación pudiendo incorporarse en otros espacios alternativos al tejado, como ventanas, superficies irregulares e incluso vehículos en movimiento, etc.
Sin embargo, son varios los inconvenientes que limitan su desarrollo industrial y comercialización, como son la inestabilidad y la toxicidad de sus componentes. Las perovskitas de uso fotovoltaico más estudiadas (CH3NH3PbI3) están formadas por metilamonio como catión orgánico monovalente, Pb2+ como catión metálico e I- como anión haluro. El ioduro de plomo que se produce cuando se descomponen es tóxico.
Actualmente se están investigando perovskitas orgánicas e inorgánicas basadas en otros cationes y/o haluros que mejoren su estabilidad sin que el cambio en la composición modifique las propiedades optoelectrónicas responsables del rendimiento. Las ‘células tandem’ de perovskita, que combinan paneles de silicio y de este material, se plantean como una solución a los problemas de estabilidad y proporcionan rendimientos muy elevados.
En cuanto a la contaminación de ioduro de plomo, investigadores de la Universidad del Norte de Illinois y del Laboratorio Nacional estadounidense de Energías Renovables (NREL) en Golden, Colorado, han desarrollado una técnica para secuestrar el plomo y minimizar posibles fugas tóxicas mediante la aplicación de películas capaces de absorber el plomo.
Los experimentos indican, además, que las capas de absorción de plomo no afectan negativamente al rendimiento de la célula solar ni a la estabilidad de su funcionamiento a largo plazo.
Otras aplicaciones
Por otra parte, las perovskitas son semiconductores con un enorme potencial gracias a su rápida síntesis y bajo coste. Su principal aplicación se encuentra en células fotovoltaicas, pero su uso se está extendiendo a otros campos.
Destaca también su papel como catalizador en la obtención de hidrógeno mediante la fotocatálisis del agua, y en la obtención de metano mediante la reducción del dióxido de carbono.
Además, la sensibilidad de la perovskitas a las condiciones ambientales, que en el caso de las placas era un problema, es una propiedad interesante a la hora de utilizarla en sensores de humedad y de gases. Estos, al ser absorbidos en su superficie, producen cambios en su conductividad.
Las propiedades ópticas de este material permiten su uso en LEDs y lásers. Los LEDs basados en Perovskita pueden fabricarse a costes muchos más bajos y pueden emitir luz a través de todo el espectro visible e infrarrojo cercano.
Imagen 1. Perovskitas. Fuente: De Kelly Nash – http://www.mindat.org/photo-170962.html, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9759462
