La innovación fotovoltaica aumenta la eficiencia de la energía verde
Al generar electricidad sin apenas emisiones equivalentes de CO2, la tecnología fotovoltaica (FV) es una solución atractiva de energía verde. Sin embargo, en la actualidad hay muy poca producción europea de células o módulos solares, lo que obliga a importar, con su huella de carbono y sus riesgos de suministro. «Cada vez es más difícil competir con los países asiáticos, principalmente China, en la fabricación de tecnología fotovoltaica. Sin embargo, el verdadero obstáculo para implantar tecnologías fotovoltaicas no suele ser tecnológico, sino de prioridades políticas», afirma Uli Würfel, coordinador del proyecto DIAMOND(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos. Las arquitecturas fotovoltaicas imprimibles de DIAMOND, escalables para la producción, contribuyen a impulsar la madurez de las tecnologías europeas.
Innovaciones en el diseño y los materiales de la perovskita fotovoltaica
La mayoría de los paneles solares se fabrican con silicio, gracias a su abundancia y fiabilidad, pero las perovskitas ofrecen una fabricación más sencilla y unos costes potencialmente más bajos. Las perovskitas(se abrirá en una nueva ventana) para fotovoltaicas son una clase de materiales cristalinos sintéticos fabricados a partir de diversas fuentes, como plomo, estaño, bromo y cloro. Para aumentar la durabilidad y eficiencia de las células solares de perovskita, en DIAMOND se identificó primero la mejor combinación de materiales para los componentes fotovoltaicos clave. Los investigadores desarrollaron dispositivos fotovoltaicos de perovskita con electrodos posteriores metálicos convencionales, junto con otros basados en carbono. También investigaron el uso de absorbentes a base de plomo y estaño para reducir el contenido de plomo. Se combinaron tres innovaciones clave para dar a la tecnología DIAMOND más estabilidad que las células solares fotovoltaicas anteriores. En primer lugar, se desarrolló un electrodo posterior de carbono (contactos eléctricos que recogen y transportan la carga fotogenerada a los circuitos externos). «Estas versiones mejoran la estabilidad a largo plazo en comparación con los electrodos metálicos convencionales», añade Würfel, de la Sociedad Fraunhofer(se abrirá en una nueva ventana), anfitriona del proyecto. Para mitigar el uso de plomo tóxico, se desarrollaron capas de eliminación a partir de una novedosa estructura metalorgánica que, rica en grupos quelantes, inmoviliza los iones de plomo. Por último, un diseño innovador selló la unidad solar. Esta «encapsulación hermética» es complicada porque las colas que se suelen utilizar para pegar los paneles solares de cristal que intercalan los materiales sensibles a la temperatura aumentan los riesgos de contaminación y daños por calor. «Sustituimos el pegamento por una capa impresa de materiales de frita de vidrio, fundidos para adherirlos a las placas de vidrio, que ofrece protección medioambiental durante más de veinticinco años», explica Würfel.
Mayor eficiencia de conversión de potencia
Las pruebas realizadas para comparar la eficiencia de conversión de energía (ECE) de DIAMOND (la cantidad de luz solar que se convierte en energía eléctrica) con la fotovoltaica de silicio arrojaron resultados alentadores. La célula solar de perovskita con un absorbedor mixto de plomo y estaño obtuvo una ECE del 25,86 %, mientras que la célula solar de perovskita con un electrodo posterior de carbono alcanzó una ECE del 21,5 % (22,9 % poco después de la finalización del proyecto). Con módulos de minicélulas solares (paneles), se alcanzó una ECE del 23,28 % en una superficie de 29 cm2. Mientras que un módulo más grande, de más de 100 cm2, con un electrodo posterior de carbono procesado en aire (en lugar de utilizar atmósferas inertes más caras, como el nitrógeno), alcanzó una ECE superior al 18 %. «También nos alegró registrar una tasa de ECE de las células solares ligeramente superior al 27 %, lo que supera de hecho el récord mundial de células solares de silicio cristalino en el momento de la presentación de la propuesta», señala Würfel.
Seguridad y sostenibilidad desde el diseño
El equipo buscó diseños de dispositivos, componentes y procesos con la menor huella de CO2 y el mayor potencial de reciclaje. Por ejemplo, al fabricar los módulos, se analizó el posible impacto ambiental de cada capa y se creó un módulo totalmente reciclable como prueba de concepto. «Nuestros resultados refuerzan el potencial de la tecnología fotovoltaica de perovskita, que cuando se transfiera a la industria creará nuevos puestos de trabajo y reducirá la dependencia de las importaciones de paneles fotovoltaicos y, en última instancia, de la propia energía», concluye Würfel. Con este fin, el equipo está ampliando el tamaño de sus módulos fotovoltaicos, al tiempo que sigue mejorando la ECE y la vida útil.
