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Towards the Photonic Solar Cell - In-Situ Defect Characterization in Metal-Halide Perovskites

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Hacia unas celdas fotovoltaicas eficientes y sin plomo

Las celdas fotovoltaicas de perovskita han demostrado tener un enorme potencial para mejorar el rendimiento de sus predecesoras. Pero plantean ciertas preocupaciones medioambientales, por lo que un equipo de la Unión Europea está investigando otras opciones de la familia de celdas de perovskita.

Cambio climático y medio ambiente

Las celdas fotovoltaicas, también llamadas celdas solares, convierten la luz en electricidad. El tipo más habitual, las celdas fotovoltaicas de silicio, lleva produciéndose desde los años cincuenta del siglo pasado. Sin embargo, su fabricación es difícil y genera un alto consumo de energía. Una versión más reciente iba a solucionar esos problemas. Las celdas fotovoltaicas de perovskita, disponibles desde 2009, reciben su nombre del mineral. Pero, técnicamente, el mineral posee una determinada estructura cristalina que comparte con numerosos materiales; así, en el sector de las celdas fotovoltaicas, el nombre de perovskita se aplica a esa estructura en lugar de al mineral. Las celdas de perovskita son eficientes eléctricamente, además de fáciles y económicas de producir. Dado que poseen numerosas ventajas evidentes en comparación con las tecnologías tradicionales de celdas fotovoltaicas, las de perovskita se convirtieron rápidamente en el nuevo tipo de celda fotovoltaica más prometedor del mundo. Desgraciadamente, esas celdas también contienen plomo tóxico, que se está eliminando de forma gradual de la producción de componentes electrónicos. Los investigadores sobre celdas fotovoltaicas ahora están buscando perovskitas alternativas.

Investigación sobre perovskitas dobles

El proyecto financiado con fondos europeos PhotSol se llevó a cabo con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie e investigó tales alternativas. El equipo valoró opciones de perovskitas sin plomo, incluida la denominada perovskita doble. Sin embargo, la eficiencia eléctrica de esos materiales todavía es baja. En consecuencia, los investigadores de PhotSol intentaron mejorar su eficiencia identificando y eliminando cuellos de botella que afectan al rendimiento de formas extremadamente complicadas conocidas como mecanismos de pérdida. Esos cuellos de botella suelen deberse a defectos en el material, como impurezas o malformaciones en el cristal. Los defectos también pueden encontrarse en las superficies y las interfaces. «Una vez identificado el tipo de defecto que limita el rendimiento, podemos centrarnos específicamente en él durante la fabricación de los dispositivos», explica Wolfgang Tress, investigador sénior del proyecto. «Por ejemplo, si las interfaces son las principales causantes, como suele ser el caso en las celdas fotovoltaicas, unas capas de pasivación o la sustitución de las capas interfaciales podrían reducir la densidad de defectos».

Contratiempos y un nuevo rumbo

Aunque el equipo logró documentar los cuellos de botella de un tipo de celda fotovoltaica de perovskita doble, este material no demostró tener potencial suficiente para su uso como celda fotovoltaica eficiente. Además, el trabajo del equipo resultó difícil de reproducir, un problema que suele perseguir a los investigadores de las perovskitas. Por consiguiente, el consorcio decidió cambiar de rumbo y examinará materiales similares, pero más recientes. En todo caso, el estudio permitió obtener unos útiles protocolos de caracterización. «Durante la caracterización realizamos un descubrimiento sin precedentes», añade Tress. «Por primera vez logramos medir el espectro de electroluminiscencia». Esto puede realizarse utilizando la celda fotovoltaica como diodo emisor de luz, primero aplicando una corriente y después detectando la emisión. Aunque la señal era muy débil, según lo previsto, el espectro fue sorprendentemente diferente a la fotoluminiscencia. En las perovskitas de plomo, los espectros de electroluminiscencia y de fotoluminiscencia suelen ser idénticos. Se desconoce la causa de la diferencia detectada, pero el equipo seguirá investigando con entusiasmo. Los investigadores de PhotSol continuarán desarrollando nuevas tecnologías fotovoltaicas, centrándose en comprender la física de los dispositivos para mejorar su diseño. Para avanzar hacia tal meta, Tress ha obtenido una subvenciones de inicio del Consejo Europeo de Investigación. El trabajo acabará contribuyendo al desarrollo de celdas fotovoltaicas sin plomo realmente eficientes que, una vez disponibles e instaladas de forma generalizada, contribuirán a limitar la dependencia global de los combustibles fósiles y reducirán considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero.

Palabras clave

PhotSol, celdas fotovoltaicas, perovskita, sin plomo, fotovoltaico, perovskita doble

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