Los investigadores descubren nuevo material de perovskita sin plomo para células solares

PROVIDENCE, R.I. [Brown University] – Una clase de materiales llamados perovskites se ha convertido en una alternativa prometedora al silicio para fabricar células solares económicas y eficientes. Pero a pesar de todas sus promesas, las perovskitas no carecen de sus desventajas. La mayoría contiene plomo, que es altamente tóxico e incluye materiales orgánicos que no son particularmente estables cuando se exponen al medio ambiente.

Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad Brown y la Universidad de Nebraska – Lincoln (UNL) han creado un nuevo material a base de titanio para fabricar células solares de perovskita inorgánicas sin plomo. En un artículo publicado en la revista Joule (una nueva revista hermana centrada en la energía para Cell), los investigadores muestran que el material puede ser un buen candidato, especialmente para fabricar células solares en tándem, arreglos en los que se colocan células de perovskita en la parte superior de silicio u otro material establecido para aumentar la eficiencia general.

“El titanio es un elemento abundante, robusto y biocompatible que, hasta ahora, se ha pasado por alto en la investigación de perovskita”, dijo el autor principal del nuevo documento, Nitin Padture, profesor de la Universidad de Otis E. Randall en la Escuela de Ingeniería de Brown y director del Instituto de Innovación Molecular y Nanoescala. “Mostramos que es posible usar material a base de titanio para hacer perovskitas de película delgada y que el material tiene propiedades favorables para aplicaciones solares que se pueden sintonizar”.

El interés en las perovskitas, una clase de materiales con una estructura cristalina particular, para la energía limpia surgió en 2009, cuando se demostró que podían convertir la luz solar en electricidad. Las primeras células solares de perovskita tuvieron una eficiencia de conversión de solo un 4 por ciento, pero se ha disparado rápidamente hasta cerca del 23 por ciento, lo que rivaliza con las células de silicio tradicionales. Y las perovskitas ofrecen algunas ventajas intrigantes. Son potencialmente más baratos de fabricar que las células de silicio, y pueden ser parcialmente transparentes, lo que permite nuevas tecnologías como ventanas que generan electricidad.

“Uno de los grandes avances en la investigación de la perovskita es alejarse de los materiales a base de plomo y encontrar nuevos materiales que sean no tóxicos y más estables”, dijo Padture. “Utilizando simulaciones por computadora, nuestros colaboradores teóricos en UNL predijeron que una clase de perovskitas con cesio, titanio y un componente halógeno (bromo y / y yodo) era un buen candidato. El siguiente paso fue fabricar una célula solar usando ese material y probar sus propiedades, y eso es lo que hemos hecho aquí “.

El equipo fabricó películas de perovskita semitransparentes que tenían bandgap, una medida del nivel de energía de los fotones que el material puede absorber, de 1,8 electrón voltios, que se considera ideal para aplicaciones solares en tándem. El material tiene una eficiencia de conversión del 3,3 por ciento, que es muy inferior al de las células a base de plomo, pero es un buen comienzo para un material completamente nuevo, dicen los investigadores.

“Hay mucha ingeniería que puede hacer para mejorar la eficiencia”, Yuanyuan Zhou, profesor asistente (investigación) de ingeniería en Brown y coautor del estudio. “Creemos que este material tiene mucho margen de mejora”.

Min Chen, un Ph.D. El estudiante de ciencia de materiales en Brown y el primer autor del artículo, usó un método de evaporación a alta temperatura para preparar las películas, pero dice que el equipo está investigando métodos alternativos. “También estamos buscando nuevos métodos a baja temperatura y basados ​​en solventes para reducir el costo potencial de la fabricación de células”, dijo.

La investigación mostró que el material tiene varias ventajas sobre otras alternativas de perovskita sin plomo. Un contendiente para una perovskita libre de plomo es un material hecho principalmente de estaño, que se oxida fácilmente cuando se expone al ambiente. El titanio, en la mano, es resistente a la oxidación. La perovskita de titanio también tiene una tensión de circuito abierto, una medida de la tensión total disponible de una célula solar, de más de un voltio. Otras perovskitas sin plomo generalmente producen voltaje menor a 0.6 voltios.

“El voltaje de circuito abierto es una propiedad clave que podemos usar para evaluar el potencial de un material de célula solar”, dijo Padture. “Entonces, tener un valor tan alto desde el principio es muy prometedor”.

Los investigadores dicen que el ancho de banda relativamente grande del material en comparación con el silicio lo convierte en el principal candidato para servir como la capa superior en una celda solar en tándem. La capa superior de perovskita de titanio absorbería los fotones de mayor energía del sol que la capa inferior de silicio no puede absorber debido a su banda prohibida más pequeña. Mientras tanto, los fotones de energía más baja pasarían a través de la capa superior semitransparente para ser absorbidos por el silicio, lo que aumentaría la capacidad total de absorción de la célula.

“Las células tándem son la fruta más común en lo que respecta a las perovskitas”, dijo Padture. “No estamos buscando reemplazar la tecnología de silicio existente todavía, sino que estamos buscando impulsarla. Por lo tanto, si puedes hacer que una célula tándem sin plomo sea estable, entonces ese es un ganador. Este nuevo material se ve como un buen candidato.”

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por EurekAlert.

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