Avances en la investigación de celdas solares flexibles basadas en perovskitas

En términos generales, la energía solar aprovecha el poder de la luz solar y la convierte en electricidad. Para ello, las celdas solares suelen emplear materiales semiconductores diseñados para absorber fotones entrantes. La energía absorbida excita un electrón que se mueve a través de las diferentes capas de materiales y genera una corriente eléctrica al alcanzar un circuito externo en contacto con los electrodos de la célula solar.

Actualmente, el mercado fotovoltaico (PV) está dominado principalmente por tecnologías basadas en materiales inorgánicos como el silicio, que constituye aproximadamente el 95% de la producción fotovoltaica mundial. Estas tecnologías de celdas solares han mostrado un gran desarrollo en los últimos años en el campo de la industria solar, pero aún tienen un alto costo para muchas aplicaciones, y sus condiciones de producción generan residuos contaminantes, lo que implica trabas en la productividad y su uso masivo. Por otro lado, se trata de una tecnología que genera módulos rígidos y pesados, adecuados para ciertas aplicaciones, pero limitados para su uso en aplicaciones que requieren módulos finos y ligeros.

Para superar la barrera de eficiencia de las células de silicio y continuar la trayectoria ascendente, se han ido abriendo camino en el mercado fotovoltaico tecnologías alternativas de células solares como: células solares basadas en telururo de cadmio, arseniuro de galio, seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y sulfuro de cobre, zinc y estaño (CZTS), algunas de las cuales han alcanzado eficiencias superiores al 30%, como se muestra en el renombrado Cuadro de Eficiencia del NREL (Figura 1). Sin embargo, es importante señalar que el desarrollo y comercialización de estas células solares alternativas enfrenta desafíos importantes, como su toxicidad, escasez y altos costos de producción.

Por otro lado, entre las tecnologías fotovoltaicas de capa fina desarrolladas durante las dos últimas décadas, únicamente células solares basadas en moléculas orgánicas (OPV del inglés Organic Photovoltaics), y los compuestos de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) han obtenido eficiencias de conversión cercanas al 20%. A su vez, entre estos dos materiales, sólo la tecnología OPV permite la fabricación de capas delgadas mediante técnicas deposición e impresión de bajo coste y fácilmente escalables a nivel industrial. No obstante, su eficiencia de conversión sigue siendo limitada y tras más de 20 años de investigación no se han demostrado aún eficiencias superiores al 20%.

Figura 1. Cuadro de eficiencia de celdas solares de NREL.

En los últimos años, la fabricación de celdas solares flexibles basadas en perovskitas parece poseer potencial en el ámbito de la investigación en solar fotovoltaica. Equipos de científicos alrededor del mundo están trabajando en la creación de celdas solares que puedan sustituir a las de silicio, más económicas, flexibles, de mayor tamaño y menos contaminantes de lo que se conoce hasta el momento, marcando un antes y un después en lo que a energía solar se refiere.

Recientemente, se han obtenidos resultados de conversión fotovoltaica muy elevados con perovskitas de haluros metálicos (tipo ABX3 siendo los materiales más utilizados A= metilamonio (MA), formamidinio (FA), Cs, B = Pb, Sn y X = Cl, Br, I) como material absorbedor de luz en células solares, con las cuales se han alcanzado, en tan solo 8 años de investigación, eficiencias por encima del 20%. Las perovskitas de haluros de metal son semiconductores cuya enorme ventaja competitiva con respecto a otras tecnologías fotovoltaicas residen en que poseen una alta tolerancia a los defectos, sin que sus propiedades electrónicas se vean fuertemente afectadas. Esto quiere decir que las propiedades de transporte del par electrón-hueco no se ven afectadas a pesar de los posibles defectos generados durante su síntesis y procesado. Esto hace que se puedan procesar en forma de películas o capas delgadas, aunque su estructura sea policristalina, ya que se mantiene una alta movilidad y longitud de difusión del par electrón-hueco.

Figura 2. Estructura de capas de celda solar para deposición en disolución mediante Slot Die. Fuente: Parvazian, E. et al.

Gracias a esta característica, las perovskitas pueden ser procesadas en disolución por métodos de deposición e impresión de bajo coste tipo spin coating (laboratorio) o slot-die coating (industrial). Las células solares fabricadas en áreas pequeñas mediante estas técnicas han mostrado ya altas eficiencias, por encima del 25%. Además, a diferencia de otros materiales inorgánicos, las sales precursoras de estas perovskitas son muy abundantes y por tanto de muy bajo coste.

Siguiendo con las grandes líneas de investigación en células solares basadas en perovskitas, AIMPLAS, Instituto Tecnológico de Plástico, está trabajando en el proyecto de I+D PEROVSOL, para el desarrollo de celdas solares basadas en pervoskitas y materiales flexibles, mediante tecnologías de procesado a escala como son la impresión mediante serigrafia y Slot-Die. El objetivo principal de esta configuración de celda radica en la escalabilidad, pasando de dispositivos a escala de laboratorio a áreas de superficie más grandes, mejorando así su idoneidad para aplicaciones industriales. El empleo de métodos de procesamiento de soluciones como Slot-Die garantizará una deposición precisa del material y facilitará el proceso de escalabilidad.

Figura 3. Muestra de celda solar desarrollada mediante Slot-Die y sergrafía. Fuente. AIMPLAS.

Por otro lado, el proyecto se centra en el uso de sustratos flexibles basados en PET reciclado sobre el que se depositan los distintos materiales que componen la celda solar, lo que contribuye a la reducción de la huella ambiental de la celda solar. El uso de sustratos flexibles a base de polímeros presenta una ventaja significativa, ya que abre una amplia gama de posibilidades para integrar la célula solar en diversas aplicaciones donde las estructuras rígidas no serían prácticas. Estas aplicaciones abarcan dispositivos inteligentes, tejidos, materiales de construcción y más.

De igual manera, el proyecto PEROVSOL también considera la estabilidad y vida útil de las celdas solares, ya que estas normalmente incorporan materiales altamente reactivos a oxígeno y humedad, por lo que se degradan facilmente. Por ello, se está trabajando en adhesivos con propiedades alto barrera a oxígeno y humedad que garanticen la encapsulación adecuada de toda la estructura de capas, extendiendo así la vida operativa de la célula solar.

Para ello, se cuenta con la participación de la empresa Omar Coatings, en el ámbito de resinas para encapsulación; Intenanomat, en el ámbito de polímeros conductores para aplicar como electrodo transparente; y con la empresa Clear PET, en el ámbito de PET reciclado. Además, AIMPLAS cuenta con la colaboración del INAM de la Universidad Jaume I de Castellón, que se centrará en la formulación de la capa activa basada en Perovskitas, y con el ICMUV de la Universidad de Valencia. Este proyecto se incluye en el programa de ayudas del IVACE dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para proyectos de I+D de carácter no económico realizados en colaboración con empresas para el ejercicio 2023, financiado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) de la Unión Europea en el marco del Programa Operativo 2021-2027.