La eficiencia de las células solares de los dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales ha aumentado del 3,8 % en 2009 [3] al 25,7 % en 2021 en arquitecturas de unión única [4] [5] y, en células en tándem basadas en silicio, al 29,8 %, [4] [6] superando la eficiencia máxima alcanzada en células solares de silicio de unión simple. Por lo tanto, las células solares de perovskita son desde 2016 la tecnología solar que avanza más rápidamente [actualizar]. [1] Con el potencial de lograr eficiencias aún mayores y costos de producción muy bajos, las células solares de perovskita se han vuelto comercialmente atractivas. Los problemas centrales y los temas de investigación incluyen su estabilidad a corto y largo plazo. [7]
Ventajas
Tanto las materias primas utilizadas como los posibles métodos de fabricación (como diversas técnicas de impresión) son de bajo coste. [8] Su alto coeficiente de absorción permite que películas ultrafinas de alrededor de 500 nm absorban todo el espectro solar visible. [9] Estas características combinadas dan como resultado la capacidad de crear módulos solares de bajo costo, alta eficiencia, delgados, livianos y flexibles. Las células solares de perovskita han encontrado uso para alimentar prototipos de electrónica inalámbrica de baja potencia para aplicaciones de Internet de las cosas alimentadas por el ambiente [10] y pueden ayudar a mitigar el cambio climático . [11]
Las células de perovskita también poseen muchas propiedades optoeléctricas que benefician su uso en células solares . Por ejemplo, la energía de unión del excitón es pequeña. Esto permite que los huecos de los electrones y los electrones se separen fácilmente tras la absorción de un fotón . Además, la larga distancia de difusión del portador de carga y la alta difusividad (la tasa de difusión) permiten a los portadores de carga viajar largas distancias dentro de la célula solar de perovskita, lo que mejora las posibilidades de que sea absorbida y convertida en energía. Por último, las células de perovskita se caracterizan por amplios rangos de absorción y altos coeficientes de absorción, que aumentan aún más la eficiencia energética de la célula solar al aumentar el rango de energías de fotones que se absorben [12].
Materiales usados
Estructura cristalina de perovskitas CH 3 NH 3 PbX 3 (X=I, Br y/o Cl). El catión metilamonio (CH 3 NH 3 + ) está rodeado por octaedros PbX 6 . [13]
El nombre "célula solar de perovskita" se deriva de la estructura cristalina ABX 3 de los materiales absorbentes, denominada estructura de perovskita , donde A y B son cationes y X es un anión . Se ha descubierto que cationes con radios entre 1,60 Å y 2,50 Å forman estructuras de perovskita. [14] El absorbente de perovskita más comúnmente estudiado es el trihaluro de plomo y metilamonio (CH 3 NH 3 PbX 3 , donde X es un ion halógeno como yoduro , bromuro o cloruro ), que tiene una banda prohibida óptica entre ~1,55 y 2,3 eV, dependiendo sobre el contenido de halogenuros. El trihaluro de plomo de formamidinio (H 2 NCHNH 2 PbX 3 ) también se ha mostrado prometedor, con bandas prohibidas entre 1,48 y 2,2 eV. Su banda prohibida mínima está más cerca del óptimo para una celda de unión simple que el trihaluro de plomo y metilamonio, por lo que debería ser capaz de lograr eficiencias más altas. [15] El primer uso de perovskita en una celda solar de estado sólido fue en una celda sensibilizada con colorante usando CsSnI 3 como capa de transporte de agujeros tipo p y absorbente. [16] Una preocupación común es la inclusión de plomo como componente de los materiales de perovskita; También se han descrito células solares compuestas de absorbentes de perovskita a base de estaño , como CH 3 NH 3 SnI 3 , aunque con menores eficiencias de conversión de energía. [17] [18] [19] [20]
Límite de Shockley-Queisser
La eficiencia de las células solares está limitada por el límite de Shockley-Queisser . Este límite calculado establece la eficiencia teórica máxima de una célula solar que utiliza una unión única sin otra pérdida aparte de la recombinación radiativa en la célula solar. Según los espectros solares globales AM1.5G, la eficiencia máxima de conversión de energía se correlaciona con una banda prohibida respectiva, formando una relación parabólica.
Este límite está descrito por la ecuación
Dónde
y u es el factor de eficiencia último, y v es la relación entre el voltaje de circuito abierto V op y el voltaje de banda prohibida V g , y m es el factor de adaptación de impedancia, V c es el voltaje térmico y V s es el voltaje equivalente. de la temperatura del Sol.
La banda prohibida más eficiente es de 1,34 eV, con una eficiencia de conversión de energía (PCE) máxima del 33,7%. Alcanzar esta energía de banda prohibida ideal puede ser difícil, pero la utilización de células solares de perovskita sintonizables permite la flexibilidad para igualar este valor. Experimentar más con células solares multiunión permite superar el límite de Shockley-Queisser, expandiéndose para permitir la absorción y conversión de fotones de un rango de longitud de onda más amplio, sin aumentar la pérdida de termalización.
La banda prohibida real para el trihaluro de plomo de formamidinio (FA) se puede ajustar a un nivel tan bajo como 1,48 eV, lo que está más cerca de la energía de banda prohibida ideal de 1,34 eV para células solares de unión única con máxima eficiencia de conversión de energía, predicha por el límite de Shockley Queisser. La energía de banda prohibida de 1,3 eV se ha logrado con éxito con el (FAPbI 3) 1- x(CsSnI 3) Xcélula híbrida, que tiene una energía de banda prohibida sintonizable (E g ) de 1,24 a 1,41 eV [21]
Células solares multiunión
Las células solares de unión múltiple son capaces de lograr una mayor eficiencia de conversión de energía (PCE), aumentando el umbral más allá del máximo termodinámico establecido por el límite de Shockley-Queissier para células de unión única. Al tener múltiples bandas prohibidas en una sola celda, evita la pérdida de fotones por encima o por debajo de la energía de la banda prohibida de una celda solar de unión única . [22] En las células solares de unión (doble) en tándem , se ha registrado un PCE del 31,1%, que aumenta al 37,9% para las células solares de unión triple y al 38,8% para las células solares de unión cuádruple. Sin embargo, el proceso de deposición química de vapor organometálico (mocvd) necesario para sintetizar células solares cristalinas y de celosía con más de una unión es muy costoso, lo que lo convierte en un candidato menos que ideal para un uso generalizado.
Los semiconductores de perovskita ofrecen una opción que tiene el potencial de rivalizar con la eficiencia de las células solares de uniones múltiples, pero que pueden sintetizarse en condiciones más comunes a un costo muy reducido. Rivalizando con las células solares de unión doble, triple y cuádruple mencionadas anteriormente, están las células en tándem totalmente de perovskita con un PCE máximo del 31,9%, la célula de triple unión totalmente de perovskita que alcanza el 33,1% y la célula de triple unión de perovskita-Si, que alcanza una eficiencia del 35,3%. Estas células solares de perovskita de uniones múltiples, además de estar disponibles para una síntesis rentable, también mantienen un alto PCE en diferentes condiciones climáticas extremas, lo que las hace utilizables en todo el mundo. [23]
Ligandos quirales
La utilización de ligandos quirales orgánicos es prometedora para aumentar la eficiencia máxima de conversión de energía para las células solares de perovskita de haluro, cuando se utiliza correctamente. La quiralidad se puede producir en semiconductores inorgánicos mediante distorsiones enantioméricas cerca de la superficie de la red, acoplamiento electrónico entre el sustrato y un ligando quiral, ensamblaje en una estructura secundaria quiral o defectos de la superficie quiral. Al unir un ligando de feniletilamina quiral a una nanoplaqueta de perovskita de bromuro de plomo aquiral, se forma una perovskita inorgánica-orgánica quiral. La inspección de la perovskita inorgánico-orgánica mediante espectroscopia de dicroísmo circular (CD) revela dos regiones. Uno representa la transferencia de carga entre el ligando y la nanoplaqueta (300-350 nm), y el otro representa el máximo de absorción excitónica de la perovskita. La evidencia de transferencia de carga en estos sistemas es prometedora para aumentar la eficiencia de conversión de energía en células solares de perovskita. [24]
Perovskitas inorgánicas
Mejora de la eficiencia de conversión de energía de las perovskitas inorgánicas durante la última década de desarrollo, estructura básica [25]
Las células solares de perovskitas de mayor rendimiento sufren de inestabilidad química. Los componentes orgánicos como el metilamonio o el formamidinio son la base de la debilidad. La encapsulación para evitar esta descomposición es costosa. Las perovskitas totalmente inorgánicas podrían minimizar estos problemas. Las perovskitas totalmente inorgánicas tienen un PCE superior al 17%. Estas células de perovskita totalmente inorgánicas de alto rendimiento se crean utilizando CsPbI 3 , que tiene una banda prohibida similar a la de las OIHP de alto rendimiento (~1,7 eV), así como excelentes propiedades optoeléctricas. Aunque químicamente estables, estos materiales de perovskita enfrentan problemas importantes con la estabilidad de fase que impiden su amplia aplicación industrial. En CsPbI 3 de alta eficiencia , por ejemplo, la fase α negra fotoactiva es propensa a transformarse en la fase δ amarilla inactiva, lo que inhibe seriamente el rendimiento, especialmente cuando se expone a la humedad. [25] Esto también hizo que fuera difícil sintetizarlos a temperatura ambiente, ya que la fase α negra es termodinámicamente inestable con respecto a la fase δ amarilla, aunque esto ha sido abordado recientemente por el grupo de Hei Ming Lai, que es psiquiatra. [26] El desafío de estabilizar la fase α negra fotoactiva de los materiales de perovskita inorgánica se ha abordado mediante una variedad de estrategias, incluido el anclaje octaédrico y el crecimiento de cristales secundarios. [27] [28]
Perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas 2D
Las perovskitas 2D se caracterizan por una estabilidad mejorada y propiedades de confinamiento excitónico en comparación con las perovskitas 3D, al tiempo que mantienen las propiedades de transporte de carga de los materiales de perovskita 3D. Además, la estructura de perovskita orgánica-inorgánica híbrida (HOIP) 2D también alivia las restricciones estéricas en los cationes "B", como lo describe el factor de tolerancia de Goldschmidt en HOIP 3D, lo que proporciona un espacio compositivo mucho más grande para diseñar nuevos materiales con propiedades personalizadas. [29]
Estructura
Los HOIP siguen la misma estequiometría ABX 3 que sus homólogos 3D. En este caso, B es un catión metálico, X son aniones halógenos (Cl − , Br − , I − ) y A representa un catión molecular orgánico. Los cationes del sitio A están enjaulados en una red de octaedros que comparten esquinas BX 6 a través del enlace de hidrógeno de NHX entre el grupo amonio del catión del sitio A y el halógeno de los octaedros. A medida que aumenta la longitud del ion orgánico 2D, el espacio entre los octaedros que comparten esquinas también aumenta, formando una estructura 2D o cuasi-2D. [30] Las capas orgánicas e inorgánicas se mantienen unidas mediante fuerzas de van der waals . Se utiliza una fórmula de R 2 A n−1 B n X 3n+1 para caracterizar las estructuras 2D y cuasi 2D. [30] Aquí, R es el gran espacio de cationes orgánicos que separa las capas inorgánicas y "n" se refiere al número de unidades orgánicas entre las capas inorgánicas.
Propiedades mecánicas
Para lograr dispositivos mecánicamente duraderos, una prioridad absoluta es comprender las propiedades mecánicas inherentes de los materiales. Al igual que otros materiales 2D , las propiedades mecánicas se analizan mediante métodos computacionales y se verifican mediante experimentos.
La nanoindentación es una técnica común para medir las propiedades mecánicas de materiales 2D. Los resultados de la nanoindentación en HOIP 2D revelan anisotropía en el módulo de Young a lo largo de diferentes direcciones planas (100, 001 y 110). [31] Gao et al. mostró que el monocristal (C 6 H 5 CH 2 NH 3 ) 2 PbCl 4 tenía una anisotropía de rango medio en estas direcciones debido al intercambio de esquinas inherente a la estructura cristalina. [31] La dirección más fuerte fue la dirección [100] que es perpendicular a las capas inorgánicas. Generalmente, en muchos HOIP 2D, existe una correlación dominante entre el aumento de la fuerza del enlace Pb-X (catión muy común) y los módulos de Young. [32] De manera similar, otro estudio de nanoindentación encontró que cambiar el ion A de CH 3 NH 3+ orgánico a Cs + inorgánico tiene efectos insignificantes en el módulo de Young, mientras que la fuerza Pb-X tiene el efecto dominante. [33] Debido a la mayor estabilidad mecánica de las capas inorgánicas, la nanoindentación encuentra que las estructuras HOIP 2D con capas inorgánicas más gruesas y densamente empaquetadas tienen mayores módulos de Young y mayor estabilidad. [31]
Un estudio de Tu et al. realizó pruebas de propiedades mecánicas en un sistema simple de yoduro de plomo para investigar el papel del número y la longitud de las subunidades (capa orgánica) en el módulo de Young fuera del plano utilizando nanoindentación. [29] Este estudio encontró que los HOIP 2D son más suaves que sus homólogos 3D debido a un cambio del enlace covalente/iónico al enlace de van der waals. [29] Además, aumentar el número de subunidades “n” de (1-5) aumenta el módulo de Young y la dureza hasta alcanzar valores estándar 3D. [29] La longitud de la cadena orgánica disminuye y el módulo de Young se estabiliza. Estos factores se pueden adaptar al diseñar células solares de perovskitas para aplicaciones únicas.
Los 2D HOIP también son susceptibles al fenómeno de la relación de Poisson negativa , en el que un material se contrae lateralmente cuando se estira y se expande lateralmente cuando se comprime. Este fenómeno se observa comúnmente en materiales 2D y la relación de Poisson se puede modular cambiando el haluro "X" en la química HOIP 2D. [34] Los haluros con electronegatividad más débil forman enlaces más débiles con el catión “B”, lo que da como resultado un aumento (en magnitud) de la relación de Poisson negativa. [31] Esta salida permite una flexibilidad ajustable de HOIP 2D y aplicaciones de dispositivos microelectromecánicos y nanoelectrónicos.
Otras investigaciones
Se han estudiado células solares basadas en perovskitas de óxidos de metales de transición y sus heteroestructuras como LaVO 3 /SrTiO 3 . [35] [36]
Científicos de la Universidad Rice descubrieron un nuevo fenómeno de expansión reticular inducida por la luz en materiales de perovskita. [37]
Para superar los problemas de inestabilidad de los materiales de perovskita orgánica a base de plomo en el aire ambiente y reducir el uso de plomo, se han investigado derivados de perovskita, como la perovskita doble Cs 2 SnI 6 . [39]
Procesando
Las células solares de perovskita tienen una ventaja sobre las células solares de silicio tradicionales en la simplicidad de su procesamiento y su tolerancia a defectos internos. [40] Las celdas de silicio tradicionales requieren procesos costosos de varios pasos, realizados a altas temperaturas (>1000 °C) en alto vacío en instalaciones especiales de sala blanca. [41] Mientras tanto, el material híbrido de perovskita orgánico-inorgánico se puede fabricar con técnicas de química húmeda más simples en un entorno de laboratorio tradicional. En particular, los trihaluros de metilamonio y formamidinio y plomo, también conocidos como perovskitas híbridas, se han creado utilizando una variedad de técnicas de deposición en solución, como recubrimiento por rotación, recubrimiento por ranura, recubrimiento con cuchilla, recubrimiento por pulverización, impresión por inyección de tinta, serigrafía, electrodeposición, y técnicas de deposición de vapor, todas las cuales tienen el potencial de ampliarse con relativa facilidad, excepto el recubrimiento por rotación. [42] [43] [44] [45] [46]
Métodos de deposición
El método de procesamiento basado en soluciones se puede clasificar en deposición de solución en un solo paso y deposición de solución en dos pasos. En la deposición en un solo paso, una solución precursora de perovskita que se prepara mezclando haluro de plomo y haluro orgánico, se deposita directamente a través de varios métodos de recubrimiento, como recubrimiento por rotación, pulverización, recubrimiento con cuchilla y recubrimiento con ranura, para formar una película de perovskita. . La deposición en un solo paso es simple, rápida y económica, pero también es más difícil controlar la uniformidad y la calidad de la película de perovskita. En la deposición de dos pasos, primero se deposita la película de haluro de plomo y luego reacciona con el haluro orgánico para formar una película de perovskita. La reacción tarda tiempo en completarse, pero puede facilitarse añadiendo bases de Lewis o haluro orgánico parcial a los precursores de haluro de plomo. En el método de deposición de dos pasos, la expansión del volumen durante la conversión de haluro de plomo en perovskita puede llenar cualquier poro para lograr una mejor calidad de la película. Los procesos de deposición en fase de vapor se pueden clasificar en deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD). PVD se refiere a la evaporación de una perovskita o su precursor para formar una fina película de perovskita sobre el sustrato, que está libre de disolvente. Mientras que la CVD implica la reacción del vapor de haluro orgánico con la película delgada de haluro de plomo para convertirla en una película de perovskita. También se introdujo un CVD a base de solución, CVD asistido por aerosol (AACVD) para fabricar películas de perovskita de haluro, como CH 3 NH 3 PbI 3 , [47] CH 3 NH 3 PbBr 3 , [48] y Cs 2 SnI 6 . [49]
Deposición de solución en un solo paso
Deposición de solución en un paso versus deposición de solución en dos pasos
En el procesamiento de solución de un solo paso, un haluro de plomo y un haluro de metilamonio se pueden disolver en un disolvente y recubrir por rotación sobre un sustrato. La evaporación posterior y el autoensamblaje convectivo durante el hilado dan como resultado capas densas de material de perovskita bien cristalizado, debido a las fuertes interacciones iónicas dentro del material (el componente orgánico también contribuye a una temperatura de cristalización más baja). Sin embargo, el simple recubrimiento por rotación no produce capas homogéneas, sino que requiere la adición de otros productos químicos como GBL , DMSO y gotas de tolueno . [50] El procesamiento de una solución simple da como resultado la presencia de huecos, plaquetas y otros defectos en la capa, lo que obstaculizaría la eficiencia de una célula solar.
Otra técnica que utiliza extracción solvente-solvente a temperatura ambiente produce películas cristalinas de alta calidad con un control preciso sobre el espesor de hasta 20 nanómetros en áreas de varios centímetros cuadrados sin generar poros. En este método, "los precursores de perovskita se disuelven en un disolvente llamado NMP y se recubren sobre un sustrato. Luego, en lugar de calentarlo, el sustrato se baña en éter dietílico , un segundo disolvente que agarra selectivamente el disolvente NMP y lo elimina. Lo que queda es una película ultrasuave de cristales de perovskita." [51]
En otro método de procesamiento en solución, se precalienta la mezcla de yoduro de plomo y haluro de metilamonio disueltos en DMF. Luego, la mezcla se recubre por centrifugación sobre un sustrato mantenido a una temperatura más alta. Este método produce películas uniformes de hasta 1 mm de tamaño de grano. [52]
Las perovskitas de haluro de Pb se pueden fabricar a partir de un precursor de PbI 2 [53] o de precursores distintos de PbI 2 , como PbCl 2 , Pb(Ac) 2 y Pb(SCN) 2 , lo que confiere a las películas propiedades diferentes. [47]
Deposición de solución en dos pasos
En 2015, se adoptó un nuevo enfoque [54] para formar la nanoestructura de PbI 2 y el uso de una alta concentración de CH 3 NH 3 I para formar una película de perovskita de alta calidad (gran tamaño de cristal y suave) con mejores rendimientos fotovoltaicos. Por un lado, el PbI 2 poroso autoensamblado se forma incorporando pequeñas cantidades de aditivos elegidos racionalmente en las soluciones precursoras de PbI 2 , lo que facilita significativamente la conversión de perovskita sin ningún residuo de PbI 2 . Por otro lado, empleando una concentración relativamente alta de CH3NH3I , se forma una película de CH3NH3PbI3 firmemente cristalizada y uniforme . Además, este es un enfoque económico.
Deposición de vapor
En las técnicas asistidas por vapor, el haluro de plomo exfoliado o recubierto por rotación se recoce en presencia de vapor de yoduro de metilamonio a una temperatura de alrededor de 150 °C. [55] Esta técnica tiene una ventaja sobre el procesamiento en solución, ya que abre la posibilidad de películas delgadas apiladas múltiples en áreas más grandes. [56] Esto podría ser aplicable a la producción de células multiunión . Además, las técnicas de depósito de vapor dan como resultado una menor variación de espesor que las capas procesadas con solución simple. Sin embargo, ambas técnicas pueden dar como resultado capas de película delgadas planas o para su uso en diseños mesoscópicos, como recubrimientos sobre una estructura de óxido metálico. Este diseño es común en las actuales perovskitas o células solares sensibilizadas con colorantes.
Escalabilidad
La escalabilidad incluye no sólo el aumento de escala de la capa absorbente de perovskita, sino también el aumento de escala de las capas de transporte de carga y del electrodo. Tanto los procesos de solución como de vapor son prometedores en términos de escalabilidad. El coste y la complejidad del proceso son significativamente menores que los de las células solares de silicio. Las técnicas de deposición de vapor o asistidas por vapor reducen la necesidad de utilizar más disolventes, lo que reduce el riesgo de que queden restos de disolvente. El procesamiento de la solución es más económico. Los problemas actuales con las células solares de perovskita giran en torno a la estabilidad, ya que se observa que el material se degrada en condiciones ambientales estándar, sufriendo caídas en su eficiencia ( ver también Estabilidad).
En 2014, Olga Malinkiewicz presentó su proceso de fabricación de impresión por inyección de tinta para láminas de perovskita en Boston (EE. UU.) durante la reunión de otoño de MRS , por lo que recibió el premio a innovadores menores de 35 años de MIT Technology Review. [57] La Universidad de Toronto también afirma haber desarrollado una célula solar de inyección de tinta de bajo coste en la que las materias primas de perovskita se mezclan en una "tinta" nanosolar que puede aplicarse mediante una impresora de inyección de tinta sobre vidrio, plástico u otros materiales de sustrato . [58]
Ampliación de la capa absorbente
Para aumentar la escala de la capa de perovskita manteniendo una alta eficiencia, se han desarrollado varias técnicas para recubrir la película de perovskita de manera más uniforme. Por ejemplo, se desarrollan algunos enfoques físicos para promover la sobresaturación mediante la eliminación rápida de solventes, logrando así más nucleaciones y reduciendo el tiempo de crecimiento del grano y la migración de solutos. El calentamiento, [59] el flujo de gas, [60] el vacío, [61] y el antisolvente [50] pueden ayudar a eliminar el solvente. Y los aditivos químicos, como los aditivos de cloruro, [62] aditivos de base de Lewis, [63] aditivos tensioactivos, [64] y la modificación de la superficie, [65] pueden influir en el crecimiento de los cristales para controlar la morfología de la película. Por ejemplo, un informe reciente sobre aditivos tensioactivos, como L-α-fosfatidilcolina (LP), demostró la supresión del flujo de solución mediante tensioactivos para eliminar espacios entre islas y, mientras tanto, la mejora de la humectación de la superficie de la tinta de perovskita en el sustrato hidrófobo para garantizar una cobertura completa. Además, LP también puede pasivar trampas de carga para mejorar aún más el rendimiento del dispositivo, lo que se puede utilizar en el recubrimiento de cuchillas para obtener un alto rendimiento de PSC con una pérdida mínima de eficiencia. [64]
Ampliación de la capa de transporte de carga
También es necesario ampliar la capa de transporte de carga para la escalabilidad de los PSC. Las capas de transporte de electrones (ETL) comunes en las PSC de zona de contacto son TiO 2 , SnO 2 y ZnO. Actualmente, para hacer que la deposición de capas de TiO 2 sea compatible con el sustrato de polímero flexible, se desarrollan técnicas de baja temperatura, como la deposición de capas atómicas , [66] la deposición de capas moleculares , [67] la reacción hidrotermal, [68] y la electrodeposición, [69]. para depositar una capa compacta de TiO 2 en un área grande. Los mismos métodos también se aplican a la deposición de SnO2 . En cuanto a la capa de transporte de huecos (HTL), en lugar del PEDOT:PSS comúnmente utilizado, se utiliza NiO x como alternativa debido a la absorción de agua del PEDOT, que puede depositarse mediante el procesamiento de una solución a temperatura ambiente. [70] CuSCN y NiO [71] son materiales HTL alternativos que pueden depositarse mediante recubrimiento por pulverización, [72] recubrimiento con cuchilla, [73] y electrodeposición, [74] que son potencialmente escalables. Los investigadores también informan sobre un método de dopaje molecular para realizar cuchillas escalables para producir PSC sin HTL. [75]
Ampliación del electrodo posterior
La deposición por evaporación del electrodo posterior es madura y escalable, pero requiere vacío. La deposición sin vacío del electrodo posterior es importante para la procesabilidad total de la solución de PSC. Los electrodos de plata se pueden serigrafiar [76] y la red de nanocables de plata se puede recubrir por pulverización [77] como electrodo posterior. El carbono también es un candidato potencial como electrodo de PSC escalable, como el grafito, [78] los nanotubos de carbono, [79] y el grafeno. [80]
Toxicidad
Los problemas de toxicidad asociados con el contenido de plomo en las células solares de perovskita ponen a prueba la percepción pública y la aceptación de la tecnología. [81] El impacto sobre la salud y el medio ambiente de los metales pesados tóxicos ha sido muy debatido en el caso de las células solares de CdTe, cuya eficiencia adquirió relevancia industrial en la década de 1990. Aunque el CdTe es un compuesto térmica y químicamente muy estable con un producto de baja solubilidad , K sp , de 10 −34 y, en consecuencia, se reveló que su toxicidad es extremadamente baja, se requieren programas rigurosos de higiene industrial [82] y programas de compromiso de reciclaje [83 ]. ] se han aplicado. A diferencia del CdTe, las perovskitas híbridas son muy inestables y se degradan fácilmente a compuestos bastante solubles de Pb o Sn con K SP =4,4×10 −9, lo que aumenta significativamente su biodisponibilidad potencial [84] y su peligro para la salud humana, como lo confirman estudios recientes. estudios toxicológicos. [85] [86] Aunque la dosis letal de plomo del 50 % [LD 50 (Pb)] es inferior a 5 mg por kg de peso corporal, surgen problemas de salud con niveles de exposición mucho más bajos. Los niños pequeños absorben entre 4 y 5 veces más plomo que los adultos y son más susceptibles a los efectos adversos del plomo. [87] En 2003, la Organización Mundial de la Salud impuso un nivel máximo de Pb en sangre (BLL) de 5 μg/dL , [87] que corresponde a la cantidad de Pb contenida en sólo 25 mm 2 del módulo solar de perovskita. Además, el BLL de 5 μg/dL fue revocado en 2010 tras descubrirse una disminución de la inteligencia y dificultades de conducta en niños expuestos a valores aún más bajos. [88] Recientemente, Hong Zhang et al. informó una estrategia universal de dilución de cosolvente para reducir significativamente la producción de desechos tóxicos de plomo, el uso de materiales de perovskita y el costo de fabricación en un 70%, que también ofrece PCEs de más del 24% y 18,45% en celdas y módulos de laboratorio, respectivamente. . [89]
Reducir la toxicidad del plomo
Reemplazo del plomo en perovskitas
Se han realizado varios estudios para analizar alternativas prometedoras a la perovskita de plomo para su uso en PSC. Buenos candidatos para el reemplazo, que idealmente tienen baja toxicidad, bandas prohibidas directas estrechas, altos coeficientes de absorción óptica, alta movilidad del portador y buenas propiedades de transporte de carga, incluyen perovskitas de haluro de estaño/germanio, perovskitas dobles y haluros de bismuto/antimonio con perovskita. como estructuras. [90]
Las investigaciones realizadas sobre PSC a base de haluro de estaño muestran que tienen una eficiencia de conversión de energía (PCE) más baja, y los fabricados experimentalmente alcanzan una PCE del 9,6%. Este PCE relativamente bajo se debe en parte a la oxidación de Sn 2+ a Sn 4+ , que actuará como un dopante de tipo p en la estructura y dará como resultado una mayor concentración de portador oscuro y mayores tasas de recombinación de portador. [91] Las perovskitas de haluro de gemanio han demostrado ser igualmente infructuosas debido a su baja eficiencia y problemas con las tendencias a la oxidación; una de las células solares experimentales mostró un PCE de sólo el 0,11 %. [92] Sin embargo, se han informado PCE más altos de algunas perovskitas basadas en aleaciones de germanio y estaño, con una película totalmente inorgánica de CsSn 0,5 Ge 0,5 I 3 que tiene un PCE informado del 7,11%. Además de esta mayor eficiencia, también se ha descubierto que las perovskitas de aleación de germanio y estaño tienen una alta fotoestabilidad. [93]
Además de las perovskitas a base de estaño y germanio, también se han realizado investigaciones sobre la viabilidad de las perovskitas dobles con la fórmula A 2 M + M 3+ X 6 . Si bien estas dobles perovskitas tienen una banda prohibida favorable de aproximadamente 2 eV y exhiben una buena estabilidad, varios problemas, incluidas las altas masas efectivas de electrones/huecos y la presencia de bandas prohibidas indirectas, dan como resultado una menor movilidad del portador y transporte de carga. [94] También se han realizado investigaciones que exploran la viabilidad de los haluros de bismuto/antimonio para reemplazar las perovskitas de plomo, particularmente con Cs 3 Sb 2 I 9 y Cs 3 Bi 2 I 9 , que también tienen bandas prohibidas de aproximadamente 2 eV. [95] Los resultados experimentales también han demostrado que, si bien las PSC basadas en haluros de antimonio y bismuto tienen buena estabilidad, su baja movilidad de portadores y sus pobres propiedades de transporte de carga restringen su viabilidad para reemplazar las perovskitas a base de plomo. [90]
Encapsulación para reducir las fugas de plomo
Se han realizado investigaciones recientes sobre el uso de la encapsulación como método para reducir las fugas de plomo, centrándose particularmente en la utilización de polímeros autorreparables . Se han realizado investigaciones sobre dos polímeros prometedores, Surlyn y una resina epoxi de reticulación térmica, diglicidil éter bisfenol A:n-octilamina:m-xililendiamina = 4:2:1. Los experimentos mostraron una reducción sustancial en las fugas de plomo de los PSC utilizando estos polímeros autorreparables bajo condiciones climáticas soleadas simuladas y después de que el daño simulado por granizo hubiera agrietado la encapsulación exterior de vidrio. En particular, la encapsulación de resina epoxi pudo reducir las fugas de plomo en un factor de 375 veces cuando se calentó con luz solar simulada. [96]
Recubrimientos para adsorber fugas de plomo
También se han empleado experimentalmente revestimientos que aglutinan químicamente plomo para reducir las fugas de plomo de los PSC. En particular, en este esfuerzo se han empleado experimentalmente resinas de intercambio catiónico (CER) y ácido P, P′-di (2-etilhexil) metanodifosfónico (DMDP). Ambos recubrimientos funcionan de manera similar, secuestrando químicamente el plomo que podría filtrarse de un módulo PSC después de que se produzcan daños climáticos. La investigación sobre RCE ha demostrado que, a través de procesos controlados por difusión, el plomo Pb 2+ se adsorbe y se adhiere eficazmente a la superficie de los RCE, incluso en presencia de iones divalentes competidores como Mg 2+ y Ca 2+ que también podrían ocupar el lugar de unión. sitios en la superficie CER. [97]
Para probar la eficacia de los recubrimientos a base de CER en la adsorción de plomo en condiciones prácticas, los investigadores gotearon agua ligeramente ácida, destinada a simular agua de lluvia, sobre un módulo PSC agrietado por daños simulados por granizo. Los investigadores descubrieron que al aplicar un recubrimiento CER sobre los electrodos de cobre de los módulos PSC dañados, las fugas de plomo se redujeron en un 84%. Cuando el CER se integró en una pasta de electrodo a base de carbono aplicada al PSC y en la parte superior del vidrio encapsulante, la fuga de plomo disminuyó en un 98%. [97] También se realizó una prueba similar en un módulo PSC con DMDP recubierto tanto en la parte superior como en la inferior del módulo para estudiar la eficacia del DMDP para reducir las fugas de plomo. En esta prueba, el módulo se agrietó mediante daños simulados por granizo y se colocó en una solución de agua ácida que contenía iones Ca 2+ acuosos , destinada a simular una lluvia ácida con bajos niveles de calcio acuoso presente. Se rastreó la concentración de plomo en agua ácida y los investigadores descubrieron que la eficiencia de secuestro de plomo del recubrimiento DMDP a temperatura ambiente era del 96,1%. [98]
Reducir el uso de materiales con plomo durante la fabricación de dispositivos
Se ha informado que una estrategia de dilución con cosolvente [89] obtiene películas de perovskita de alta calidad con soluciones precursoras de concentración muy baja. Esta estrategia reduce sustancialmente la cantidad de materias primas costosas en la tinta precursora de perovskita y reduce la producción de desechos tóxicos mediante el recubrimiento por rotación a través de dos rutas clave: minimizar la pérdida de precursores durante el procesamiento de películas de perovskita y mejorar la vida útil y la vida útil de las tintas al suprimir la agregación de coloides precursores. Se podría lograr un PCE de más del 24 % para PSC de laboratorio con una dilución de cosolvente a un nivel tan bajo como 0,5 M. Además, la escalabilidad de la estrategia de dilución de cosolvente se prueba mediante la fabricación de módulos solares de perovskita (PSM) con diferentes tamaños mediante recubrimiento por centrifugado industrial. Los módulos fabricados mediante una estrategia de dilución con cosolvente muestran PCE más altos y una uniformidad y reproducibilidad mucho mejores que los módulos preparados con tintas de perovskita convencionales, mientras utilizan una fracción del precursor. Es importante destacar que se prevé que se reduzcan más del 70 % de los residuos tóxicos/disolventes, la materia prima de perovskita y los costos de fabricación para la fabricación de módulos en comparación con los mismos módulos fabricados con tintas convencionales mediante recubrimiento por rotación industrial y, al hacerlo, hacer del recubrimiento por rotación una técnica sostenible. para fabricación a mediana escala, por ejemplo, para módulos independientes o integración a escala de oblea de Si. Este trabajo muestra que mediante una selección juiciosa de un cosolvente más ecológico, podemos reducir significativamente el uso y el desperdicio de solventes tóxicos y materias primas de perovskita, al mismo tiempo que simplificamos la fabricación y recortamos los costos de los PSC. [89]
Física
Una característica importante del sistema de perovskita más comúnmente utilizado, los haluros de plomo y metilamonio, es una banda prohibida controlable por el contenido de haluro. [15] [99]
Los materiales también muestran una longitud de difusión tanto para huecos como para electrones de más de una micra . [100] [101] [102]
La larga longitud de difusión significa que estos materiales pueden funcionar eficazmente en una arquitectura de película delgada y que las cargas pueden transportarse en la propia perovskita a largas distancias. Recientemente se ha informado que las cargas en el material de perovskita están presentes predominantemente como electrones libres y huecos, en lugar de como excitones unidos , ya que la energía de unión de los excitones es lo suficientemente baja como para permitir la separación de cargas a temperatura ambiente. [103] [104]
Límites de eficiencia
Las bandas prohibidas de las células solares de perovskita son sintonizables y se pueden optimizar para el espectro solar alterando el contenido de haluro en la película (es decir, mezclando I y Br). El límite de eficiencia radiativa de Shockley-Queisser , también conocido como límite de equilibrio detallado , [105] [106] es aproximadamente del 31% bajo un espectro solar AM1.5G a 1000 W/m 2 , para una banda prohibida de perovskita de 1,55 eV. [107] Esto es ligeramente menor que el límite radiativo del arseniuro de galio de banda prohibida de 1,42 eV, que puede alcanzar una eficiencia radiativa del 33%.
Mientras tanto, se ha descubierto que el modelo de deriva-difusión predice con éxito el límite de eficiencia de las células solares de perovskita, lo que nos permite comprender la física del dispositivo en profundidad, especialmente el límite de recombinación radiativa y el contacto selectivo en el rendimiento del dispositivo. [108] Hay dos requisitos previos para predecir y acercarse al límite de eficiencia de la perovskita. En primer lugar, la recombinación radiativa intrínseca debe corregirse después de adoptar diseños ópticos que afectarán significativamente el voltaje del circuito abierto en su límite de Shockley-Queisser. En segundo lugar, las características de contacto de los electrodos deben diseñarse cuidadosamente para eliminar la acumulación de carga y la recombinación de superficies en los electrodos. Con los dos procedimientos, el modelo de difusión-deriva puede lograr una predicción precisa del límite de eficiencia y una evaluación precisa de la degradación de la eficiencia de las células solares de perovskita. [108]
Junto con los cálculos analíticos, se han realizado muchos estudios de primeros principios para encontrar numéricamente las características del material de perovskita. Estos incluyen, entre otros, banda prohibida, masa efectiva y niveles de defectos para diferentes materiales de perovskita. [109] [110] [111] [112] También hay algunos esfuerzos para arrojar luz sobre el mecanismo del dispositivo basándose en simulaciones donde Agrawal et al. [113] sugiere un marco de modelado, [114] presenta un análisis de eficiencia casi ideal y [115] habla sobre la importancia de la interfaz de la perovskita y las capas de transporte de huecos/electrones. Sin embargo, Sun et al. [116] intenta llegar a un modelo compacto para diferentes estructuras de perovskita basándose en datos de transporte experimentales.
Arquitecturas
Esquema de una célula solar de perovskita sensibilizada en la que la capa activa consiste en una capa de TiO 2 mesoporoso que está recubierta con el absorbente de perovskita. La capa activa se pone en contacto con un material tipo n para la extracción de electrones y un material tipo p para la extracción de huecos. b) Esquema de una célula solar de perovskita de película delgada . En esta arquitectura en la que sólo una capa plana de perovskita se intercala entre dos contactos selectivos. c) Generación y extracción de carga en la arquitectura sensibilizada. Después de la absorción de luz en el absorbente de perovskita, el electrón fotogenerado se inyecta en el TiO 2 mesoporoso a través del cual se extrae. El agujero generado concomitantemente se transfiere al material tipo p. d) Generación y extracción de carga en la arquitectura de película delgada. Después de la absorción de luz, en la capa de perovskita se produce tanto la generación como la extracción de carga.
Las células solares de perovskita funcionan eficientemente en una serie de arquitecturas algo diferentes dependiendo del papel del material de perovskita en el dispositivo o de la naturaleza de los electrodos superior e inferior. Los dispositivos en los que las cargas positivas se extraen mediante un electrodo inferior transparente (cátodo) se pueden dividir predominantemente en "sensibilizados", donde la perovskita funciona principalmente como absorbente de luz, y el transporte de carga se produce en otros materiales, o "película delgada", donde la mayor parte del transporte de electrones o huecos ocurre en la mayor parte de la propia perovskita. De manera similar a la sensibilización en células solares sensibilizadas con colorantes , el material de perovskita se recubre sobre un andamio mesoporoso conductor de carga (más comúnmente TiO 2 ) como absorbente de luz. Los electrones fotogenerados se transfieren desde la capa de perovskita a la capa mesoporosa sensibilizada a través de la cual son transportados al electrodo y extraídos al circuito. La arquitectura de las células solares de película delgada se basa en el descubrimiento de que los materiales de perovskita también pueden actuar como conductores de carga ambipolares altamente eficientes. [100]
Después de la absorción de luz y la posterior generación de carga, tanto los portadores de carga positivos como los negativos se transportan a través de la perovskita para cargar los contactos selectivos. Las células solares de perovskita surgieron del campo de las células solares sensibilizadas con colorantes, por lo que la arquitectura sensibilizada fue la que se utilizó inicialmente, pero con el tiempo se ha hecho evidente que funcionan bien, si no mejor, en una arquitectura de película delgada. [117] Más recientemente, algunos investigadores también demostraron con éxito la posibilidad de fabricar dispositivos flexibles con perovskitas, [118] [119] [120] , lo que lo hace más prometedor para la demanda de energía flexible. Ciertamente, el aspecto de la degradación inducida por los rayos UV en la arquitectura sensibilizada puede ser perjudicial para el importante aspecto de la estabilidad a largo plazo.
Existe otra clase diferente de arquitecturas, en las que el electrodo transparente en la parte inferior actúa como cátodo al recoger los portadores de carga tipo p fotogenerados. [121]
Herramientas y métodos de investigación y desarrollo.
La base de datos de perovskita es una base de datos y una herramienta de análisis de datos de investigación de células solares de perovskita que integra sistemáticamente más de 15.000 publicaciones, en particular datos de dispositivos sobre "más de 42.400" dispositivos de perovskita. Los autores describieron el sitio de base de datos abierta FAIR , que a partir de enero de 2022 requiere registrarse para acceder a los datos y utiliza software que es parcialmente de código abierto pero que no está marcado como con una licencia de software libre en GitHub [122] , como una "Wikipedia para perovskita" participativa. investigación de células solares". Permite filtrar y mostrar datos según diversos criterios, como composiciones de materiales o tipos de componentes, y de ese modo podría respaldar el desarrollo de diseños arquitectónicos óptimos (incluidos los materiales utilizados). [123] [124]
El cribado de alto rendimiento de mezclas y capas de contacto es un mecanismo de desarrollo que se ha utilizado para desarrollar células solares de perovskita relativamente estables. [125]
Historia
Los materiales de perovskita se conocen bien desde hace muchos años, pero Tsutomu Miyasaka et al informaron sobre la primera incorporación a una célula solar . en 2009. [3]
Esto se basó en una arquitectura de célula solar sensibilizada con colorante y generó solo un 3,8% de eficiencia de conversión de energía (PCE) con una fina capa de perovskita sobre TiO 2 mesoporoso como colector de electrones. Además, debido a que se utilizó un electrolito líquido corrosivo, la celda solo permaneció estable durante unos minutos. Parque Nam-Gyu et al. mejoró esto en 2011, utilizando el mismo concepto de sensibilizado por tinte, logrando un PCE del 6,5 %. [126]
En 2012 se produjo un gran avance, cuando Mike Lee y Henry Snaith de la Universidad de Oxford se dieron cuenta de que la perovskita era estable si se ponía en contacto con un transportador de huecos de estado sólido como spiro-OMeTAD y no requería la capa mesoporosa de TiO 2 para transportarla. electrones. [127] [128]
Demostraron que se podían lograr eficiencias de casi el 10% utilizando la arquitectura de TiO 2 "sensibilizada" con el transportador de orificios de estado sólido, pero se lograron eficiencias más altas, superiores al 10%, reemplazándola con un andamio inerte. [129]
Experimentos adicionales para reemplazar el TiO 2 mesoporoso con Al 2 O 3 dieron como resultado un aumento del voltaje de circuito abierto y una mejora relativa en la eficiencia del 3 al 5% más que aquellos con soportes de TiO 2 . [56]
Esto llevó a la hipótesis de que no se necesita un andamio para la extracción de electrones, lo que luego se demostró que era correcto. A este descubrimiento le siguió de cerca una demostración de que la propia perovskita también podía transportar huecos, además de electrones. [130]
Se logró una célula solar de perovskita de película delgada, sin andamio mesoporoso, de > 10% de eficiencia. [117] [131] [132]
En 2013, tanto la arquitectura plana como la sensibilizada experimentaron una serie de novedades. Burschka et al. demostró una técnica de deposición para la arquitectura sensibilizada que supera el 15% de eficiencia mediante un procesamiento de solución de dos pasos, [133] Al mismo tiempo, Olga Malinkiewicz et al., y Liu et al. demostró que era posible fabricar células solares planas mediante coevaporación térmica, logrando más del 12% y el 15% de eficiencia en una arquitectura de pasador y de contacto, respectivamente. [134] [135] [136]
Docampo et al. También demostró que era posible fabricar células solares de perovskita con la arquitectura típica de "célula solar orgánica", una configuración "invertida" con el transportador de huecos debajo y el colector de electrones encima de la película plana de perovskita. [137]
Continuando con la tendencia, cada año desde 2015 se estableció un nuevo récord de eficiencia para una célula solar de perovskita de unión simple, y los récords más frecuentes provinieron de KRICT y UNIST . [4] Los últimos poseedores del récord son investigadores de la UNIST que alcanzaron una eficiencia del 25,7%. [5] También hay esfuerzos centrados en reducir el coste energético, incluido el consorcio del proyecto Apolo en los laboratorios CEA, cuyo objetivo es reducir el coste del módulo por debajo de 0,40 €/Wp (vatio pico).
Al menos desde 2016, los récords de las células solares en tándem de perovskita-silicio se han mantenido constantemente por encima de los de las células de unión simple. [4] [139] Desde 2018, los récords los batieron indistintamente Oxford Photovoltaics e investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin . En 2021, este último logró la mejor eficiencia hasta el momento: 29,8%. [6]
Estabilidad
Un gran desafío para las células solares de perovskita (PSC) es el aspecto de la estabilidad a corto y largo plazo. [140] La célula solar tradicional de oblea de silicio en una planta de energía puede durar entre 20 y 25 años, estableciendo ese período como el estándar para la estabilidad de la célula solar. Las PSC tienen grandes dificultades para durar tanto tiempo [196]. La inestabilidad de las PSC está relacionada principalmente con la influencia ambiental (humedad y oxígeno), [141] [142] , el estrés térmico y la estabilidad intrínseca de la perovskita a base de metilamonio , [143] [144] [145] y la perovskita a base de formamidinio , [146 ] calentamiento bajo voltaje aplicado, [147] fotoinfluencia (luz ultravioleta) [148] (luz visible) [144] y fragilidad mecánica. [149] Se han realizado varios estudios sobre la estabilidad de las PSC y se ha demostrado que algunos elementos son importantes para la estabilidad de las PSC. [150] [151] Sin embargo, no existe un protocolo de estabilidad "operacional" estándar para los PSC. [148] Pero recientemente se ha propuesto un método para cuantificar la estabilidad química intrínseca de las perovskitas de haluro híbrido. [152]
La solubilidad en agua del constituyente orgánico del material absorbente hace que los dispositivos sean muy propensos a una rápida degradación en ambientes húmedos. [153] La degradación causada por la humedad se puede reducir optimizando los materiales constituyentes, la arquitectura de la celda, las interfaces y las condiciones ambientales durante los pasos de fabricación. [148] Encapsular el absorbente de perovskita con un compuesto de nanotubos de carbono y una matriz polimérica inerte puede evitar la degradación inmediata del material por el aire húmedo a temperaturas elevadas. [153] [154] Sin embargo, aún no se han demostrado estudios a largo plazo ni técnicas de encapsulación integrales para las células solares de perovskita. Los dispositivos con una capa mesoporosa de TiO 2 sensibilizada con el absorbente de perovskita también son inestables a los rayos UV , debido a la interacción entre los agujeros fotogenerados dentro del TiO 2 y los radicales de oxígeno en la superficie del TiO 2 . [155]
La conductividad térmica ultrabaja medida de 0,5 W/(Km) a temperatura ambiente en CH 3 NH 3 PbI 3 puede evitar la rápida propagación del calor ligero depositado y mantener la celda resistente a tensiones térmicas que pueden reducir su vida útil. [156] Se ha demostrado experimentalmente que el residuo PbI 2 en la película de perovskita tiene un efecto negativo en la estabilidad a largo plazo de los dispositivos. [54] Se afirma que el problema de estabilización se resuelve reemplazando la capa de transporte orgánico con una capa de óxido metálico, lo que permite que la celda retenga el 90% de su capacidad después de 60 días. [157] [158] Además, los dos problemas de inestabilidad se pueden resolver mediante el uso de recubrimientos de fotopolímeros fluorados multifuncionales que confieren características luminiscentes y de fácil limpieza en la parte frontal de los dispositivos, al mismo tiempo que forman una barrera fuertemente hidrofóbica hacia la humedad ambiental en la parte posterior. lado de contacto. [159] El revestimiento frontal puede evitar que la luz ultravioleta de todo el espectro solar incidente interactúe negativamente con la pila de PSC al convertirla en luz visible, y la capa posterior puede evitar que el agua penetre dentro de la pila de células solares. Los dispositivos resultantes demostraron una excelente estabilidad en términos de eficiencias de conversión de energía durante una prueba de envejecimiento de 180 días en el laboratorio y una prueba real en condiciones exteriores durante más de 3 meses. [159]
En julio de 2015, los principales obstáculos fueron que la célula solar de perovskita más grande tenía solo el tamaño de una uña y se degradaba rápidamente en ambientes húmedos. [160] Sin embargo, investigadores de EPFL publicaron en junio de 2017 un trabajo que demuestra con éxito módulos solares de perovskita a gran escala sin degradación observada durante un año (condiciones de cortocircuito). [161] Ahora, junto con otras organizaciones, el equipo de investigación tiene como objetivo desarrollar una célula solar de perovskita totalmente imprimible con una eficiencia del 22% y un rendimiento del 90% después de las pruebas de envejecimiento. [162]
A principios de 2019, la prueba de estabilidad más larga reportada hasta la fecha mostró una salida de potencia constante durante al menos 4000 h de funcionamiento continuo con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) bajo la iluminación de 1 sol desde un simulador solar basado en una lámpara de xenón sin filtrado de luz ultravioleta. Sorprendentemente, el captador de luz utilizado durante la prueba de estabilidad es la perovskita clásica basada en metilamonio (MA), MAPbI 3 , pero los dispositivos no están construidos sin una capa selectiva de base orgánica ni contacto posterior metálico. En estas condiciones, se encontró que sólo el estrés térmico era el factor principal que contribuía a la pérdida de estabilidad operativa en dispositivos encapsulados. [163]
La fragilidad intrínseca del material de perovskita requiere un refuerzo extrínseco para proteger esta capa crucial de las tensiones mecánicas. La inserción de andamios de refuerzo mecánico directamente en las capas activas de las células solares de perovskita dio como resultado que la célula solar compuesta formada exhibiera un aumento de 30 veces en la resistencia a la fractura, reposicionando las propiedades de fractura de las células solares de perovskita en el mismo dominio que el c-Si convencional, CIGS. y células solares de CdTe. [164] Se han desarrollado varios enfoques para mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita. [ se necesita aclaración ] Por ejemplo, en 2021, los investigadores informaron que la estabilidad y confiabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita se mejoraron con un nuevo tipo de "pegamento molecular" . [165] [166]
A partir de 2021, las pruebas de estabilidad existentes para paneles solares y sistemas de células solares están diseñadas únicamente para aquellos que contienen obleas de silicio. Por ello, estos ensayos, elaborados por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), han sido reevaluados por su falta de idoneidad. En la Cumbre Internacional sobre Estabilidad Fotovoltaica Orgánica (ISOS), se crearon controles de estabilidad para el desarrollo en laboratorio de todas las células solares, pero la IEC no los adoptó. Estas pruebas no son criterios de aprobación/rechazo, sino que evalúan las diversas causas de los problemas de estabilidad de las células solares para erradicar los problemas. Se agrupan en cinco categorías: pruebas de almacenamiento en la oscuridad, pruebas en exteriores, pruebas de inmersión en luz , pruebas de ciclos térmicos y pruebas de ciclos térmicos de humedad y luz. En estas pruebas, los gráficos de datos de PCE y JV de los PSC se calcularon entre diferentes condiciones físicas para determinar las diversas causas de la degradación de los PSC. [167]
En general, estas pruebas ISOS ayudaron a determinar las causas de la degradación del PSC, que incluían exposición prolongada a la luz visible y ultravioleta, contaminación ambiental, altas temperaturas y polarizaciones eléctricas. Después de 200 ciclos de temperatura, los PSC 2020 aún conservaban el 90% de su potencia, lo que indica que son capaces de mantener una estabilidad a corto plazo. Ahora, lo que queda por investigar es la estabilidad a largo plazo y qué avances materiales podrían aplicarse para aumentar estos 200 ciclos de temperatura (días) a 20-25 años. [167]
Métodos para mejorar el rendimiento y la estabilidad
La introducción de la capa interfacial Al 2 O 3 /NiO no sólo mejora la calidad cristalina de las películas de perovskita con gran tamaño de grano y mejora el transporte de carga, sino que también restringe efectivamente la recombinación de portadores, pero los PSC que utilizan esta interfaz aún tienen problemas de inestabilidad debido a la acción de iones. -migración e inestabilidad de los cristales de perovskita. [168] [169] Para resolver el problema, se pueden utilizar compuestos de perovskita/Ag-rGO en capa activa para mejorar la estabilidad de las PSC y lograr un alto rendimiento simultáneamente. [170] La capa Ag-rGO puede actuar como una capa de pasivación superficial, reduciendo los defectos y los estados de trampa en la superficie de la capa de perovskita, lo que minimiza la recombinación no radiativa y mejora el rendimiento y la estabilidad. Además, la capa compuesta de perovskita/Ag-rGO puede actuar como una barrera, evitando que la humedad entre en la capa de perovskita y protegiéndola de la degradación debida a los efectos ambientales. En las mediciones de recolección de luz, los PSC de perovskita/Ag-grafeno muestran un valor de eficiencia de conversión de fotones-electrones monocromáticos incidentes (IPCE) más alto que los PSC tradicionales en el rango de luces visibles. [171] [172] La curva corriente-tensión de los PSC también muestra la ausencia del efecto de histéresis que es común en los PSC tradicionales. [172] Las PSC de perovskita/Ag-grafeno también exhiben una mejor estabilidad térmica en el envejecimiento a 90 grados Celsius y una mejor fotoestabilidad bajo iluminación de luz continua. [172] Sin embargo, el voltaje de circuito abierto V oc y el factor de llenado (FF) disminuyen como compensación. Para abordar la pérdida de V oc y FF, se elige una capa compuesta de SrTiO 3 /TiO 2 para superar este problema de bajo V oc . [173] Al elegir SrTiO 3 /TiO 2 como material de recolección ligero, se espera lograr una alta estabilidad y un alto V oc . [174]
Reciclaje
Otro problema central en el desarrollo, producción y uso de células solares de perovskita es su reciclabilidad. El reciclaje de perovskitas es una necesidad absoluta debido a la presencia de plomo en las perovskitas. El uso de este elemento significa que simplemente desechar las células solares de perovskita en vertederos sería un gran peligro para la salud debido a la escorrentía de plomo y la toxicidad tanto para los cuerpos de agua como para la salud humana [195]. Los diseños y procesos o protocolos para el reciclaje eficiente reducirían los impactos ambientales negativos, la explotación de materiales críticos, los impactos en la salud y los requisitos energéticos más allá de lo que se puede lograr con aumentos en la vida útil de los dispositivos. [175] [176] [177] En una revisión, los científicos concluyeron que "las tecnologías de reciclaje y recuperación de células solares de perovskita deben investigarse y desarrollarse de manera proactiva". [175] Algunos aspectos de la reciclabilidad y las tasas de reciclaje dependen del diseño de los productos difundidos. Es posible que no se facilite la investigación y el desarrollo científicos para diseñar teniendo en cuenta la reciclabilidad; en cambio, la mayoría de los científicos "observan principalmente el rendimiento", la "eficiencia y estabilidad de la conversión de energía" y, a menudo, "descuidan el diseño para el reciclaje". [178]
En 2021, muchas células solares implementadas en el año 2000 se acercan al final de su vida útil. Por ello, la investigación sobre el reciclaje de perovskita es crucial. Un componente difícil de reciclar de las perovskitas es el plomo. Actualmente, producir 1 GW de energía utilizando la célula solar de perovskita más eficiente generaría 3,5 toneladas de residuos de plomo. La principal estrategia utilizada actualmente para mitigar la contaminación por plomo es el funcionamiento de la célula solar. El ácido P, P'-di (2-etilhexil) metanodifosfónico que absorbe plomo y la resina de intercambio catiónico de ácido sulfónico se utilizan para evitar fugas de plomo debido a cualquier daño que puedan sufrir los paneles solares durante el uso 195. [ cita necesaria ]
Se están realizando investigaciones para descubrir medios para reducir el impacto del plomo más allá de la simple prevención de fugas de plomo. Se ha descubierto que la resina de intercambio catiónico de ácido carboxílico adsorbe iones de plomo mediante el intercambio iónico con hidrógeno, y estos iones pueden liberarse fácilmente mediante recristalización al agregar yoduro de sodio a la solución acuosa. Se descubrió que este proceso era de bajo costo en comparación con otras técnicas de reciclaje de plomo existentes y, en teoría, podría implementarse comercialmente. [179]
Recientemente, dado que la eficiencia de la mejor célula solar de perovskita alcanzó el 25,5%, comparable a la de las mejores células fotovoltaicas fabricadas de silicio monocristalino, es optimista que las células fotovoltaicas de perovskita sean comerciales en el futuro. [180] Por lo tanto, el reciclaje del plomo y los conductores transparentes es esencial para el desarrollo de células fotovoltaicas de perovskita, ya que el primero reduce el impacto ambiental nocivo y el segundo reduce los costos. El disolvente orgánico como la dimetilformamida (DMF) se utiliza en la investigación para disolver Pb y separar ITO/vidrio, luego la resina de intercambio catiónico de ácido carboxílico, en esta investigación se utiliza WAC-gel debido a su mejor rendimiento, se utiliza para absorber Pb. iones en el DMF y lo liberan en forma de Pb(NO 3 ) 2 . Al agregar NaI a la solución, el PbI 2 puede precipitar y reciclarse. Se analizan las propiedades de los materiales reciclados en que tanto PbI 2 como ITO/vidrio tienen el mismo rendimiento que los nuevos, y la eficiencia de reciclaje alcanzó el 99,2%. [179] Además, el análisis de costos muestra que los módulos solares basados en el reciclaje cuestan alrededor de 12 dólares por metro cuadrado, mientras que los basados en materiales nuevos cuestan alrededor de 24,8 dólares por metro cuadrado. [181] Por lo tanto, es beneficioso reciclar las células fotovoltaicas de perovskita desde una perspectiva tanto ambiental como económica.
Comportamiento histerético corriente-voltaje
Otro desafío importante para las células solares de perovskita es la observación de que los escaneos de corriente-voltaje arrojan valores de eficiencia ambiguos. [182] [183]
La eficiencia de conversión de energía de una célula solar generalmente se determina caracterizando su comportamiento corriente-voltaje (IV) bajo iluminación solar simulada. Sin embargo, a diferencia de otras células solares, se ha observado que las curvas IV de las células solares de perovskita muestran un comportamiento histerético : dependiendo de las condiciones de escaneo (como la dirección de escaneo, la velocidad de escaneo, la absorción de luz, la polarización), existe una discrepancia entre el escaneo de polarización directa a cortocircuito (FB-SC) y el escaneo de cortocircuito a polarización directa (SC-FB). [182] Se han propuesto varias causas, como movimiento de iones , polarización , efectos ferroeléctricos , llenado de estados de trampa , [183] sin embargo, el origen exacto del comportamiento histerético aún no se ha determinado. Pero parece que determinar la eficiencia de la célula solar a partir de curvas IV corre el riesgo de producir valores inflados si los parámetros de escaneo exceden la escala de tiempo que el sistema de perovskita requiere para alcanzar un estado electrónico estable . Se han propuesto dos posibles soluciones: Unger et al. muestran que los escaneos de voltaje extremadamente lentos permiten que el sistema se establezca en condiciones de estado estable en cada punto de medición, lo que elimina cualquier discrepancia entre el escaneo FB-SC y SC-FB. [183]
Henry Snaith et al. han propuesto la "producción de energía estabilizada" como métrica para la eficiencia de una célula solar. Este valor se determina manteniendo el dispositivo probado a un voltaje constante alrededor del punto de máxima potencia (donde el producto del voltaje y la fotocorriente alcanza su valor máximo) y rastreando la potencia de salida hasta que alcanza un valor constante. Se ha demostrado que ambos métodos producen valores de eficiencia más bajos en comparación con las eficiencias determinadas mediante exploraciones intravenosas rápidas. [182] [183] Sin embargo, se han publicado estudios iniciales que muestran que la pasivación superficial del absorbente de perovskita es una vía con la que los valores de eficiencia se pueden estabilizar muy cerca de las eficiencias de escaneo rápido. [184] [185]
No se observó ninguna histéresis obvia de la fotocorriente al cambiar las velocidades de barrido o la dirección en los dispositivos o las velocidades de barrido. Esto indica que el origen de la histéresis en la fotocorriente se debe más probablemente a la formación de trampas en algunas películas y procesos de fabricación de dispositivos no optimizados. La mejor forma de examinar la eficiencia de un dispositivo de células solares es medir su potencia de salida en el punto de carga. Si hay una gran densidad de trampas en los dispositivos o histéresis de fotocorriente por otras razones, la fotocorriente aumentaría lentamente al encender la iluminación [121] . Esto sugiere que las interfaces podrían desempeñar un papel crucial con respecto al comportamiento histerético IV, ya que la principal diferencia La diferencia entre la arquitectura invertida y las arquitecturas regulares es que se utiliza un contacto orgánico tipo n en lugar de un óxido metálico.
Hasta ahora, la observación de características histeréticas de corriente-voltaje ha sido subestimada en gran medida. Sólo una pequeña fracción de las publicaciones reconoce el comportamiento histerético de los dispositivos descritos, incluso menos artículos muestran curvas IV lentas no histeréticas o salidas de potencia estabilizadas. Las eficiencias reportadas, basadas en exploraciones intravenosas rápidas, deben considerarse bastante poco confiables y actualmente dificultan evaluar genuinamente el progreso del campo.
La ambigüedad en la determinación de la eficiencia de la célula solar a partir de las características corriente-voltaje debido a la histéresis observada también ha afectado el proceso de certificación realizado por laboratorios acreditados como el NREL . La eficiencia récord del 20,1% para las células solares de perovskita aceptadas como valor certificado por el NREL en noviembre de 2014 ha sido clasificada como "no estabilizada". [4] Para poder comparar resultados de diferentes instituciones, es necesario acordar un protocolo de medición confiable, como ha sido propuesto por [186] incluyendo el código Matlab correspondiente que se puede encontrar en GitHub. [187]
A partir de 2021, se ha descubierto que la eficiencia máxima de conversión de energía registrada es del 25,6%. Esto se hizo utilizando una perovskita de haluro metálico de yoduro de plomo de formamidinio. Se bombearon aniones a perovskitas existentes altamente eficientes y funcionaron para llenar los huecos causados por los agujeros atrapados en la celda fotovoltaica. Además, se descubrió que esta celda es estable hasta 450 horas, lo que se considera estabilidad a largo plazo. Finalmente, este dispositivo sirvió para demostrar que otros aniones además de los iones yodo y bromo son capaces de ser bombardeados en los huecos de las células fotovoltaicas, rompiendo una tendencia que evidentemente obstaculizaba investigaciones anteriores [198].
Perovskitas para aplicaciones en tándem
Una celda de perovskita combinada con una celda inferior como Si o seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) como un diseño en tándem puede suprimir los cuellos de botella de las celdas individuales y aprovechar las características complementarias para mejorar la eficiencia. [188] Este tipo de células tiene un mayor potencial de eficiencia y, por lo tanto, atrajo recientemente una gran atención por parte de investigadores académicos. [189] [190] [191]
Tándems de 4 terminales
Utilizando una configuración de cuatro terminales en la que las dos subceldas están aisladas eléctricamente, Bailie et al. [192] obtuvieron una celda en tándem con una eficiencia del 17 % y 18,6 % con celdas inferiores de mc-Si (η ~ 11 %) y seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS, η ~ 17 %), respectivamente. Se obtuvo una celda en tándem con una eficiencia del 13,4% con una celda inferior de heterounión a-Si:H/c-Si altamente eficiente usando la misma configuración. [193] La aplicación de electrodos transparentes basados en TCO a células de perovskita permitió fabricar dispositivos transparentes en el infrarrojo cercano con mayor eficiencia y menores pérdidas por absorción parásita. [194] [195] [196] [197] [198] La aplicación de estas celdas en tándems de 4 terminales permitió mejorar la eficiencia hasta un 26,7 % cuando se utiliza una celda inferior de silicio [197] [199] y hasta un 23,9 % con una celda inferior de CIGS. [200] En 2020, los equipos de KAUST - Universidad de Toronto informaron células solares en tándem de perovskita/silicio de cuatro terminales con una eficiencia del 28,2%. [201] Para lograr estos resultados, el equipo utilizó electrodos transparentes In 2 O 3 dopados con Zr en celdas superiores de perovskita semitransparentes, que fue introducido previamente por Aydin et al. , [198] y mejoró la respuesta en el infrarrojo cercano de las celdas inferiores de silicio mediante la utilización de electrodos In 2 O 3 dopados con H transparentes de banda ancha . Además, el equipo mejoró la longitud de difusión de electrones (hasta 2,3 µm) gracias a la pasivación con base de Lewis mediante urea. La eficiencia récord de los tándems de perovskita/silicio se sitúa actualmente en el 28,2%
tándems de 2 terminales
Mailoa et al. Comenzó la carrera de eficiencia para tándems monolíticos de 2 terminales utilizando una celda inferior de c-Si con homounión y demostró una celda del 13,7%, en gran medida limitada por las pérdidas de absorción parásita. [202] Luego, Albrecht et al. desarrollaron células de perovskita procesadas a baja temperatura utilizando una capa de transporte de electrones de SnO 2 . Esto permitió el uso de células solares de heterounión de silicio como celda inferior y eficiencias en tándem de hasta el 18,1%. [203] Werner y otros. Luego mejoró este rendimiento reemplazando la capa de SnO 2 con PCBM e introduciendo un método de deposición híbrida secuencial para el absorbente de perovskita, lo que condujo a una celda en tándem con una eficiencia del 21,2 %. [204] Importantes pérdidas de absorción parasitaria debido al uso de Spiro-OMeTAD todavía limitaban el rendimiento general. Bush et al. demostraron un cambio importante, quienes invirtieron la polaridad de la celda superior (nip to pin). Utilizaron una bicapa de SnO 2 y óxido de zinc y estaño (ZTO) procesada por ALD para que funcione como una capa amortiguadora de pulverización catódica, lo que permite la posterior deposición de un electrodo superior transparente de óxido de indio y estaño (ITO). Este cambio ayudó a mejorar la estabilidad ambiental y térmica de la celda de perovskita [205] y fue crucial para mejorar aún más el rendimiento del tándem perovskita/silicio al 23,6%. [206]
En la continuidad, utilizando una celda superior de perovskita tipo pin, Sahli et al . demostró en junio de 2018 una celda en tándem monolítica completamente texturizada con una eficiencia del 25,2%, certificada de forma independiente por Fraunhofer ISE CalLab. [207] Esta eficiencia mejorada se puede atribuir en gran medida a las pérdidas de reflexión enormemente reducidas (por debajo del 2% en el rango de 360 nm-1000 nm, excluyendo la metalización) y a las pérdidas de absorción parásitas reducidas, lo que lleva a corrientes de cortocircuito certificadas de 19,5 mA/cm. 2 . También en junio de 2018 la empresa Oxford Photovoltaics presentó una célula con un 27,3% de eficiencia. [208] En marzo de 2020, los equipos de KAUST - Universidad de Toronto informaron dispositivos en tándem con películas de perovskita fundidas por rotación en celdas inferiores texturizadas completamente texturizadas con un 25,7% en la revista Science. [209] En la actualidad, los equipos de investigación muestran esfuerzos para utilizar más técnicas escalables basadas en soluciones en celdas de fondo texturizadas. En consecuencia, un equipo colaborativo de la Universidad de Carolina del Norte y la Universidad Estatal de Arizona informó sobre tándems basados en perovskita recubiertas de palas . A continuación, en agosto de 2020, el equipo de KAUST demostró los primeros tándems basados en perovskita revestidos con ranura, lo que fue un paso importante para acelerar el procesamiento de tándems. [210] En septiembre de 2020, Aydin et al. mostró las corrientes de cortocircuito certificadas más altas de 19,8 mA/cm 2 en celdas inferiores de silicio completamente texturizadas. [211] Además, Aydin et al . mostró los primeros resultados de rendimiento en exteriores de células solares en tándem de perovskita/silicio, lo que supuso un obstáculo importante para las pruebas de fiabilidad de dichos dispositivos. [211] En diciembre de 2021, el equipo de KAUST actualizó el PCE campeón al 28,2% (certificado). [212]
La eficiencia récord de los tándems de perovskita/silicio se sitúa actualmente en el 29,8% en diciembre de 2021. [4] [213]
Modelado de simulación
Para investigar posibles candidatos de perovskita totalmente en tándem de una manera eficiente y económica, se ha implementado un software de simulación. Shankar et al. [214] publicaron un artículo en 2022 que detalla su uso del software Solar Cell Capacitance Simulator - One Dimensional. Este software permite al usuario variar los parámetros y propiedades del dispositivo para optimizar el rendimiento. Los resultados de esta investigación de simulación han mostrado eficiencias de hasta el 30 % para una banda prohibida de 1,4 eV, que resultó del aumento de la eficiencia cuántica externa al 95 % mediante el dopaje de la capa de transporte. [215] Shankar et al simularon una eficiencia del 32,3% alterando el material y el espesor de las capas de transporte de electrones y de transporte de huecos. Esta eficiencia simulada representa un aumento del 37 % en el trabajo simulado hasta el momento y se obtuvo tras la optimización del trabajo realizado por Zhao et al. en células solares en tándem de dos terminales totalmente de perovskita.
Ampliación
En mayo de 2016, IMEC y su socio Solliance anunciaron una estructura en tándem con una celda de perovskita semitransparente apilada sobre una celda de silicio con contacto posterior. [216] Se afirmó una eficiencia de conversión de energía combinada del 20,2%, con el potencial de superar el 30%.
Tándems totalmente de perovskita
En 2016, el desarrollo de materiales de perovskita eficientes con baja banda prohibida (1,2 - 1,3 eV) y la fabricación de dispositivos eficientes basados en ellos permitió un nuevo concepto: células solares en tándem totalmente de perovskita, donde dos compuestos de perovskita con diferentes bandas prohibidas se apilan encima el uno del otro. Los primeros dispositivos de dos y cuatro terminales con esta arquitectura reportados en la literatura lograron eficiencias del 17% y 20,3%. [217] Además, fabricar perovskita de bromuro de yoduro de plomo, formamidinio, cesio y plomo en celdas en tándem de cuatro terminales podría lograr una eficiencia que oscila entre el 19,8% y el 25,2%, dependiendo de los parámetros de las mediciones. [218] Las células en tándem totalmente de perovskita ofrecen la perspectiva de ser la primera arquitectura totalmente procesable en solución que tiene un camino claro para superar no sólo la eficiencia del silicio, sino también la del GaAs y otras costosas células solares semiconductoras III-V.
En 2017, Dewei Zhao et al. Células solares de perovskita (PVSC) mixtas de Sn-Pb fabricadas con banda prohibida baja (~1,25 eV) con un espesor de 620 nm, lo que permite que granos más grandes y una mayor cristalinidad extiendan la vida útil del portador a más de 250 ns, alcanzando una máxima eficiencia de conversión de energía. (PCE) del 17,6%. Además, este PVSC de banda prohibida baja alcanzó una eficiencia cuántica externa (EQE) de más del 70% en el rango de longitud de onda de 700 a 900 nm, la región espectral infrarroja esencial donde la luz solar se transmite a la celda inferior. También combinaron la celda inferior con una celda superior de perovskita con banda prohibida de ~1,58 eV para crear una celda solar en tándem totalmente de perovskita con cuatro terminales, obteniendo un PCE en estado estacionario del 21,0%, lo que sugiere la posibilidad de fabricar un tándem totalmente de perovskita de alta eficiencia. células solares. [219]
Un estudio de 2020 muestra que los tándems exclusivamente de perovskita tienen una huella de carbono mucho menor que los tándems de silicio y perovskita. [220]
Además, en 2020, las eficiencias en tándem de perovskita alcanzaron un nuevo pico de eficiencia del 24,2% para células solares de 1 cm2. Este valor fue medido y registrado por los Laboratorios de Tecnología Ambiental y de Seguridad Eléctrica de Japón, y se alcanzó pasivando defectos en los límites de grano de la perovskita tradicional de plomo y estaño utilizando moléculas zwitteriónicas . Estos inhiben la oxidación de los iones de estaño, un proceso que reduce la eficiencia de la célula solar al aumentar la densidad de la trampa y prevenir la difusión. La introducción de antioxidantes zwitteriónicos aumenta enormemente la eficiencia de estos dispositivos y solo permite una degradación adicional del 2%. La adición de sustancias zwitteriónicas también requiere el uso de un ambiente rico en ácido formamidina sulfínico, catalizando las reacciones necesarias para permitir el transporte de carga entre las células solares.
En noviembre de 2022, la eficiencia del tándem totalmente de perovskita alcanzó un nuevo récord del 27,4%. [221] Esto rompe el récord de 2020 para células solares de 1 cm 2 , y fue logrado por un equipo conjunto de la Universidad Northwestern, la Universidad de Toronto y la Universidad de Toledo. Esta celda también rompió el récord anterior de Voc para tándems totalmente de perovskita (citar). Esta misma celda fue certificada por NREL con un PCE del 26,3% y un Voc de 2,13V. Esto marca el "primer tándem certificado totalmente de perovskita que supera el PCE récord (25,7%) de las células solares de perovskita de unión simple". (NOMBRES DE AUTOR ET AL) han encontrado áreas de mejora en los valores de Jsc que sitúan un 30% de eficiencia en un futuro próximo.
Comercialización
Saule Technologies inauguró en mayo de 2021 en Wrocław la primera fábrica de células solares de perovskita. [222] A partir de 2021, [actualizar]hay un poco de fabricación en Polonia y China, [223] pero el despliegue a gran escala se ve frenado por la inestabilidad y la vida útil más corta. [224] Sin embargo, las empresas esperan tener productos tándem de perovskita sobre silicio en el mercado con una garantía de 25 años en algún momento a mediados de la década de 2020. [225] Pueden ayudar a cumplir los elevados objetivos de nueva energía solar en la India . [226] La construcción de energía fotovoltaica integrada es un posible área de comercialización, y si bien todavía existen preocupaciones relacionadas con la estabilidad, [224] en 2021, un edificio en Lublin se convirtió en el primero en estar revestido con paneles solares de perovskita, lo que marcó el primer uso comercial de perovskita. [227]
La Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía de EE. UU. es una organización gubernamental que invierte en la investigación y el desarrollo de tecnologías solares de perovskita. Han identificado varias áreas clave de mejora para que las células solares de perovskita desempeñen un papel en el futuro de las tecnologías fotovoltaicas.
Las cuatro áreas objetivo de mejora son estabilidad y durabilidad, eficiencia de conversión de energía a escala, capacidad de fabricación y validación y bancabilidad de la tecnología. [228] Los puntos primero y tercero se abordan anteriormente en las secciones Procesamiento y Escalabilidad.
La eficiencia de la conversión de energía a escala sigue siendo un problema porque las eficiencias de laboratorio para dispositivos de área pequeña no se han demostrado en dispositivos de mayor escala. Los dispositivos actuales a pequeña escala pueden encontrar uso en tecnologías móviles y de respuesta a desastres debido a su peso ligero, flexibilidad y relaciones potencia-peso , pero serán necesarias pruebas a gran escala antes de que la industria energética adopte esta tecnología a nivel de red. .
El área de desarrollo de Validación de Tecnología y Bancabilidad apunta a la voluntad de las instituciones financieras de colaborar con estas tecnologías. Esto requerirá una estandarización de los protocolos de prueba y un aumento de los datos de campo disponibles. La degradación de las células solares de perovskita hace que los métodos de prueba fotovoltaicos actuales no sean realistas a la hora de predecir el rendimiento en aplicaciones del mundo real. Para abordar estas preocupaciones en la adopción de la tecnología de perovskita, SETO ha financiado el Centro de Validación y Bancabilidad del Acelerador Fotovoltaico de Perovskita para la Comercialización de Tecnologías (PACT). PACT establecerá pruebas estandarizadas de campo y de laboratorio y realizará estudios de bancabilidad para garantizar que la tecnología de perovskita esté lista para su comercialización. SETO también publicó objetivos de desempeño para dirigir la investigación y verificar que los proyectos sean relevantes para el desarrollo de la comercialización.
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Otras lecturas
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