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Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging

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Hacia un futuro más brillante gracias a las celdas fotovoltaicas de tercera generación

Las celdas fotovoltaicas de tercera generación auguran una variación de la escala industrial barata y rápida, pero solo si se pueden controlar sus condiciones de procesamiento y se garantiza la formación de la nanoestructura adecuada en sus capas fotoactivas.

Tecnologías industriales

Las celdas fotovoltaicas de tercera generación ya están aquí. Tanto si se trata de dispositivos fotovoltaicos orgánicos como de celdas fotovoltaicas de puntos cuánticos o de perovskita, todas estas tecnologías de tercera generación vaticinan unas celdas fotovoltaicas más pequeñas con una mayor eficacia energética y un menor coste. Con todo, existe un escollo destacado en el camino hacia su comercialización: las celdas fotovoltaicas de tercera generación son tan pequeñas y complejas que, una vez fabricadas, es muy difícil determinar su estructura. Jens Andreasen, especialista en la investigación de imágenes tridimensionales (3D) de sincrotrón de materiales energéticos en DTU Energy e investigador principal del proyecto SEEWHI (Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging), financiado por el Consejo Europeo de Investigación, comenta: «La optimización de celdas fotovoltaicas de tercera generación, orgánicas o inorgánicas, es en gran medida un proceso de prueba y error. Esto tiene una consecuencia doble. Primero, posterga considerablemente la búsqueda de combinaciones óptimas de materiales, ya que las pruebas tienen que llevarse a cabo con dispositivos completos para cada parámetro del proceso. Pero lo que es más importante, los sistemas de mejor rendimiento pueden pasar totalmente desapercibidos». Andreasen tiene un plan para abordar este problema. En mayo de 2016, comenzó a desarrollar nuevas técnicas de imagenología 3D basadas en la tomografía pticográfica de rayos X y la difracción de rayos X 3D. Si tiene éxito, su trabajo permitiría discriminar entre materiales que presentan diferencias muy sutiles con una alta resolución espacial.

Nanoestructuras desveladas

Tomemos como ejemplo las celdas fotovoltaicas orgánicas, que constan de materiales ligeros con pequeñas variaciones de densidad. Estudiar la nanoestructura de estos materiales requiere una técnica que proporcione cierto contraste entre diferentes irregularidades microestructurales a nanoescala. Es algo fundamental para correlacionar el rendimiento fotovoltaico con las condiciones de procesamiento, si bien antes del proyecto SEEWHI era casi imposible llevarlo a cabo. «Estamos a punto de identificar diferencias con una resolución superior a 10 nm en 3D. Antes de este proyecto, no se podía describir la nanoestructura de las celdas fotovoltaicas orgánicas a partir de observaciones directas, sino que se infería a través de la modelización. No sabíamos con seguridad cuál era la estructura de las celdas fotovoltaicas con mejor rendimiento», explica Andreasen. Una vez que se describe la nanoestructura a través de la imagenología de rayos X, Andreasen puede correlacionar dichas estructuras con modelos de rendimiento fotovoltaico y dinámica molecular. Este proceso le permite dilucidar la relación entre los parámetros de procesamiento y la estructura resultante. «De esta manera, podemos desarrollar un bucle de retroalimentación que nos permita fabricar celdas fotovoltaicas con una nanoestructura de rendimiento óptimo», señala Andreasen. Aunque al proyecto SEEWHI aún le queda un año de andadura, los resultados preliminares son muy prometedores. En concreto, el equipo concibió nuevos algoritmos para la reconstrucción 3D de datos de tomografía pticográfica que podrían favorecer la adquisición de imágenes 3D de celdas fotovoltaicas completas con una resolución de 10 nm, al menos tan pronto como puedan combinarse con un sincrotrón de cuarta generación. Andreasen añade: «Pero eso no es todo. Hemos logrado una caracterización sin parangón de una celda fotovoltaica de kesterita y, además, estamos a punto de desarrollar un esquema que nos permita modelizar la estructura óptima de cualquier sistema de materiales para celdas fotovoltaicas orgánicas. Muy pronto podremos determinar asimismo los parámetros de procesamiento necesarios para crear dicha estructura en una celda fotovoltaica a gran escala». El equipo del proyecto confía en poder demostrar un modelo fotovoltaico de las nanoestructuras 3D ya medidas y modelizadas antes de que finalice el proyecto. En el caso de que las fuentes de luz de sincrotrón de cuarta generación permitan realizar pronto los experimentos de imagenología 3D adecuados, también se podría desvelar la nanoestructura 3D de una celda fotovoltaica orgánica con una resolución suficiente para distinguir sus dominios donador y aceptor. «Espero que logremos desarrollar un plan de acción que permita a los experimentadores prescindir de los años de prueba y error y descubrir oportunidades pasadas por alto. El resultado final podría ser un gran avance, no solo para las celdas fotovoltaicas orgánicas, sino para muchas tecnologías basadas en la autoorganización de estructuras, desde la escala atómica hasta la mesoescala», concluye Andreasen.

Palabras clave

SEEWHI, celdas fotovoltaicas, fotovoltaica, tercera generación, perovskita, imagenología de rayos X, nanoestructura

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9 Septiembre 2014