Revolucionando la energía solar con perovskitas
Décadas de investigación sobre celdas fotovoltaicas han mostrado que existe un tope teórico absoluto, denominado «límite de Shockley-Queisser», para la capacidad de las celdas fotovoltaicas de convertir energía eficazmente. En el caso de las uniones de semiconductores optimizadas simples, las eficiencias de conversión máximas rara vez logran superar el 30 %. Para fabricar celdas fotovoltaicas con unos límites de eficiencia superiores, deben aplicarse nuevos conceptos que superen las limitaciones fundamentales del mecanismo de conversión de energía de las celdas fotovoltaicas de uniones simples. Es posible que estén a punto de desarrollarse tecnologías que emplean la fisión singlete, las cuales resultan muy prometedoras. En el proyecto financiado con fondos europeos SOLAR BEYOND SILICON, científicos estudiaron modos de aumentar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas de perovskita en relación con las de silicio, la tecnología líder del mercado. Fisión singlete: el camino para mejorar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas Todas las celdas fotovoltaicas de uniones simples tienen en común un mecanismo de pérdida de energía fundamental: la termalización. «Tal como en la absorción de un fotón de baja energía, la absorción de un fotón de alta energía genera un par electrón-hueco», explica el profesor Richard Friend. «La energía adicional de los fotones que supera la banda prohibida se pierde a través de la relajación térmica, lo que conduce al límite de eficiencia de Shockley-Queisser que asciende a alrededor de un 30 % en una celda de semiconductores ideal». La fisión de excitones singlete es un proceso que puede desbancar dicho límite evitando las pérdidas por relajación. En este proceso, la fotoexcitación de un material apto para la fisión con un fotón de alta energía produce un excitón singlete con espín que puede someterse a un proceso de conservación de espín para generar dos excitones triplete, cada uno portador de la mitad de la energía. Cuando se incorporan en un segundo material (como una perovskita), que absorbe los fotones de baja energía y disocia los excitones triplete, la celda fotovoltaica puede superar el límite de eficiencia. El equipo del proyecto aprovechó algunas de las propiedades únicas de los semiconductores orgánicos para intentar superar las limitaciones de las celdas fotovoltaicas de uniones simples. En particular, los científicos combinaron la fisión singlete en semiconductores orgánicos, como el pentaceno o el tetraceno, con perovskitas de banda prohibida baja específicas. «A lo largo del proyecto, logramos demostrar que podrían fabricarse celdas fotovoltaicas de alta eficiencia y bajo coste empleando estos materiales y, además, que se puede observar la transferencia de carga en la interfaz entre estos materiales», comenta el doctor Sam Stranks, investigador en el proyecto. Uno de los procesos que generan restricciones en este enfoque es la migración de iones en los materiales bajo iluminación. El proyecto permitió comprender mejor esta cuestión produciendo la primera visualización de la migración de iones, así como enfoques de pasivación únicos para mitigar este y otros efectos parásitos. Así se consigue una plataforma sobre la que los dispositivos solares de perovskita podrían pronto superar al silicio. SOLAR BEYOND SILICON mejoró asimismo la compresión de la recombinación, la migración de iones y otros procesos de pérdida en las perovskitas. Los científicos aportaron informes y publicaciones a veintidós revistas arbitradas. Una de las publicaciones versó sobre la primera prueba de una banda prohibida indirecta de perovskitas de haluro metálico. Se publicó en «Nature Materials», en octubre de 2016, y generó un gran entusiasmo, permitiendo el surgimiento de ámbitos nuevos e interesantes en el sector.
Palabras clave
SOLAR BEYOND SILICON, perovskitas, celdas fotovoltaicas de uniones simples, energía solar, límite de Shockley-Queisser, semiconductores orgánicos
