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Academia Ciencia Sociedad

Perovskita: promesa de innovación en celdas solares

28/04/2021
Por: Jennifer Restrepo de la Pava - Periodista

Con una metodología que permite conocer en tiempo real el desempeño de las celdas solares de perovskita, su mecanismo de degradación y cómo se puede corregir, científicos de la Universidad de Antioquia y la Universidad Jaume I, en España, dan un paso más en la carrera mundial para el desarrollo tecnológico, aplicación comercial y masificación de este mineral sintético que promete la diversificación y revolución de la tecnología en energía solar. 

Paneles solares con celdas de pervoskita ubicados en la terraza de la Sede de Investigación Universitaria - SIU- Foto cortesía: Esteban Velilla. 

La perovskita parece ser la «niña prodigio» de los materiales para la fabricación de celdas solares. Con tan solo ocho años de exploración científica para energía fotovoltaica —que se obtiene de la radiación solar—, este mineral sintético ha igualado en eficiencia energética al silicio (25 %), usado actualmente para la elaboración de celdas, con por lo menos 50 años en desarrollo. 

Este mineral fue descubierto en 1839, pero solo hasta 2009 se detectaron sus propiedades para absorber la luz y producir energía solar. Tanto las perovskitas naturales como las sintéticas —mezcladas con otros materiales y químicos para potenciarlas— presentan una variedad de propiedades eléctricas: son aislantes —no conductores—, semiconductores, y conductores superiónicos.

Debido a su combinación de propiedades, entre las que se destacan la migración de iones —la corriente eléctrica se transporta a través de sustancias—, y la baja dependencia del rendimiento de la temperatura, esta tecnología fotovoltaica requiere menos procesos para su fabricación lo que la hace más económica, permite su impresión en grandes formatos y aplicaciones como construcciones, telas, plásticos, sustratos flexibles, entre otros. 

Pese a las múltiples ventajas de la perovskita, su estabilidad es corta y se degrada en poco tiempo. Mientras que la vida útil de una celda de este material es de 416 días, una de silicio puede alcanzar hasta los 20 años.  Allí es donde está el reto de los científicos, entender cómo se degrada para solucionarlo, mejorar su estabilidad a largo plazo y convertirla en una tecnología competitiva.

El líder de la Línea Energía del Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo de Materiales —Cidemat— de la Universidad de Antioquia, y director de la investigación realizada en Colombia alrededor de este material, Franklin Jaramillo Isaza, explicó que la degradación de la celda puede ocurrir por diferentes factores. La luz, el agua y el oxígeno contribuyen a ese proceso. 

Para entender los fenómenos que ocurren en la celda solar, el estudiante de doctorado Ingeniería Materiales de la Universidad de Antioquia, Esteban Velilla Hernández, el doctor en Química Franklin Jaramillo, y el profesor Ivan Mora Seró del Instituto de Materiales Avanzados de la Universidad Jaume I de España, desarrollaron una metodología de análisis de la celda de perovskita que permite monitorear en tiempo real su desempeño e identificar los mecanismos de degradación.
 
De acuerdo con Jaramillo Isaza, esta metodología está basada en la evaluación del factor de idealidad —que muestra qué tan ideal es el comportamiento un dispositivo desde el punto de vista eléctrico— para monitorearlo al aire libre. Lo correlacionaron con otro parámetro llamado T80, con el que se mide tecnologías que trabajan en la intemperie: el T80 es el tiempo que tarda un dispositivo en condiciones reales de operación en disminuir al 80 % su funcionamiento, el tiempo de referencia industrial con el que se determina si es bueno o malo.

«Con el factor de idealidad, que es el que nosotros encontramos como un factor para establecer ese desempeño en tiempo real de la tecnología, podemos entender que está ocurriendo al interior del dispositivo, los fenómenos y mecanismos degradación de la celda. El T80 advierte el periodo de degradación del dispositivo», explicó el doctor en Química, Franklin Jaramillo. 

Gracias a la capacidad instalada de la Universidad de Antioquia, a través de su Laboratorio de celdas solares ubicado en la Sede de Investigación Universitaria, SIU, las pruebas que estaban planteadas inicialmente en laboratorios, se realizaron en mini módulos solares expuestos a la intemperie de día y de noche. 

«Algo muy significativo es que todos los análisis y resultados los realizamos de exteriores. Con la metodología no solo estamos mirando el desempeño de estos dispositivos, sino que los estamos relacionando con unos factores de degradación que estaban reportados en la literatura científica y que hasta el momento no se habían dado. Ese fue otro de los grandes aportes: visualizar qué estaba pasando con el dispositivo en el tiempo real», indicó Esteban Velilla, cuya pasantía de doctorado en la universidad española motivó la investigación.

Este método propuesto por los investigadores proporciona una nueva comprensión de los procesos de degradación de las celdas en exteriores, fundamental para la aplicación comercial de los paneles solares de perovskita. Además, permite obtener información para una mejor interpretación de datos y su comprensión.  

Según el investigador Franklin Jaramillo, es la primera vez en el campo científico que se explora esta metodología de análisis para predecir el comportamiento en tiempo real y a futuro de esta o de cualquier otra tecnología fotovoltaica. 

Perovskita sintética en diferentes composiciones. Laboratorio de Celdas Solares, Universidad de Antioquia. Foto: Juan Pablo Hernández Sánchez.

Bondades de la perovskita

Este mineral sintético ofrece la posibilidad de ampliar el espectro de aplicaciones, entre ellas, modificar su composición: «El hecho de que se pueda modificar la composición del material es una gran ventaja, uno puede cambiar donde absorbe luz el material, esto significa cambiar el color, podemos obtener celdas solares rojas, naranjas, amarillas. Esto posibilita mayor integración arquitectónica, teniendo en cuenta que el silicio es negro o azulado y no permite cambio de color», agregó el profesor Jaramillo Isaza. 

Además, ofrece una integración arquitectónica semitransparente, permite laminar ventanas a través de las cuales se puede ver parcialmente y convertirlas en celdas solares. La flexibilidad del material es otra ventaja. Puede ser impresa por rollos, incluso por kilómetros, o distintas técnicas, lo que contribuye a masificar la tecnología y bajar los costos de producción. 

«No necesita en su procesamiento aplicar Ultra Alto Vacío o altas temperaturas, a diferencia del silicio. Se fabrica a temperatura ambiente, lo que representa una reducción de costos significativa. Si tenemos esas ventajas, imaginemos cómo sería el precio comparado con el del silicio, cuyo costo para producción industrial ha bajado cerca del 80% en los últimos 10 años. Esto es muy importante desde el punto de vista de aplicación de la tecnología a escala masiva», indicó Franklin Jaramillo. 

Estado de la tecnología en el mundo  

Explican los investigadores que están en grado cinco de alistamiento tecnológico de las celdas solares con perovskita. La meta es llegar a siete en los próximos años.

«Está muy cerca de que pueda eventualmente comercializarse en el mundo. Hay spin off creadas para llevar esto a otro paso. A través del desarrollo de materiales y tecnología queremos pensar en una estrategia de transferencia de conocimiento, porque seguramente en Colombia es difícil crear una empresa de manufactura», reiteró Jaramillo Isaza.
 
El científico agregó que aproximadamente en tres a cinco años se podría ver algún desarrollo con perovskita en el mercado, tal vez algo pequeño o preliminar que represente un paso importante en las estrategias de comercialización. 

Los investigadores destacaron que este avance fue posible además del trabajo colaborativo con la Universidad Jaume I, gracias a la literatura científica sobre el tema y otras investigaciones realizadas por pares académicos que sirvieron como  referencia.  

Aporte mundial 

«Este es el ojo del huracán en el desarrollo de la tecnología fotovoltaica, la perovskita es un material emergente y mucha gente de la comunidad científica trabaja en esto, por eso la contribución con el artículo en la revista es muy favorable. Que se acepte este artículo en una revista de esta talla, es un reconocimiento, además, a las capacidades que se han desarrollado», destacó el profesor Jaramillo. 

Ante la importancia de estos hallazgos, Nature Energy, una de las más destacadas revistas científicas y con mayor índice de impacto en el mundo, aceptó la publicación de la investigación Análisis de alto rendimiento del factor de idealidad para evaluar el rendimiento exterior de la celda de perovskita, en su edición de enero de 2021. 

Los miembros de la comunidad universitaria de la UdeA encontrarán esta investigación en las bases de datos de la institución. Los interesados, además, pueden acceder al resumen del artículo. 

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