Científicos chinos establecen récord mundial de eficiencia en celdas solares

Científicos chinos desarrollan nuevas celdas solares tándem de perovskita y compuestos orgánicos. (Foto: cortesía)

Por Li Menghan

Científicos chinos han establecido un nuevo récord mundial para las celdas solares de próxima generación, acercando la energía solar ligera, flexible y de alta eficiencia al uso cotidiano en todo tipo de aplicaciones, desde dispositivos portátiles hasta estaciones espaciales.

Utilizando una celda solar tándem de perovskita y compuestos orgánicos, los investigadores lograron una eficiencia certificada de conversión de energía en estado estacionario del 28,04 por ciento. Esta arquitectura en tándem integra dos subceldas complementarias de absorción de luz para captar una gama más amplia del espectro solar que los dispositivos tradicionales de una sola capa.

El estudio fue publicado este lunes en la revista Nature.

A diferencia de las celdas solares de silicio tradicionales —que generalmente son rígidas y requieren una fabricación a altas temperaturas—, estas celdas de nueva generación utilizan una mezcla de "perovskita" —estructura cristalina sintética y altamente personalizable— y materiales orgánicos. Al ser ligeras, flexibles y capaces de imprimirse a bajas temperaturas como tinta sobre papel, prometen una vía más barata y sencilla para la fabricación en masa.

En una celda solar tándem de perovskita y compuestos orgánicos, la capa superior de perovskita se personaliza para capturar la luz de alta energía, como los rayos ultravioleta, mientras que la capa inferior orgánica absorbe la luz cercana al infrarrojo. Ambos materiales funcionan en tándem: la capa superior bloquea los dañinos rayos ultravioleta que podrían deteriorar la capa inferior orgánica, mientras que la capa orgánica resistente al agua protege a la perovskita superior, que es sensible a la humedad.

"Este diseño permite a los científicos sintonizar el material, ajustando esencialmente los colores específicos de la luz que absorbe", señaló Meng Lei, profesor del Instituto de Química de la Academia de Ciencias de China y autor para correspondencia del estudio.

A pesar de sus promesas, las celdas solares híbridas se han enfrentado durante mucho tiempo a un obstáculo importante: la separación química interna.

Para absorber los colores de luz adecuados, la capa de perovskita se fabrica incorporando diferentes componentes de haluros, en particular yoduro y bromuro. Sin embargo, estos componentes tienden a separarse. No logran mezclarse de manera uniforme durante la conversión de precursor a película y la cristalización, y vuelven a separarse bajo una exposición prolongada a la luz solar durante su funcionamiento. Esta separación química genera defectos microscópicos, provocando que la celda solar se degrade rápidamente. Para resolver esto, el equipo de Meng creó una molécula aditiva inteligente y fototransformable llamada TDB.

La TDB actúa como un estabilizador de dos etapas. Durante la fabricación, regula la dinámica de cristalización y promueve una mezcla homogénea de haluros durante la formación de la película. Posteriormente, una vez que la celda solar está operando bajo el sol, la luz activa las moléculas de TDB en los límites microscópicos del material para que se transformen, adhiriéndose fuertemente a la superficie. Esto suprime la migración de haluros y evita la formación de defectos bajo la luz solar.

"La naturaleza fototransformable de la TDB le permite abordar secuencialmente los desafíos en dos etapas diferentes", explicó Wu Ruihan, candidato a doctor y autor principal del estudio.

Los resultados dieron como resultado una celda solar altamente estable y de alto rendimiento. La capa de perovskita optimizada logró un voltaje de circuito abierto (el voltaje máximo generado por la celda solar bajo iluminación) de 1,42 voltios, todo un récord para esta clase de celdas solares.

Al integrarse completamente en el dispositivo tándem, la tecnología alcanzó una eficiencia de conversión de energía total del 28,80 por ciento, con una eficiencia certificada en estado estacionario del 28,04 por ciento. De manera crucial, el dispositivo retuvo el 90 por ciento de su rendimiento inicial después de 625 horas de iluminación continua, lo que demuestra que la alta eficiencia no tiene por qué lograrse a costa de la durabilidad.

Li Yongfang, miembro de la Academia de Ciencias de China y autor para correspondencia del estudio, afirmó que estas celdas ultra-ligeras y flexibles podrían acelerar la transición global hacia la energía limpia.

Li destacó que la tecnología tiene un gran potencial para aplicaciones terrestres, como paneles solares integrados directamente en las ventanas de los edificios, electrónica portátil, drones y generadores portátiles. También podría resultar vital para aplicaciones aeroespaciales, incluyendo el suministro de energía a satélites, estaciones espaciales y misiones en el espacio profundo.