Placas solares más duraderas gracias a las perovskitas.

Imagen 1: Célula fotovoltaica [1]

La energía solar nos ha acompañado toda nuestra historia, nos ha calentado en invierno, ha hecho crecer las plantas, nos ha ayudado a coger bronceado... Y ahora vamos a ser capaces de utilizarla para obtener energía. 

En este blog vamos a tratar los nuevos materiales para la creación de celdas solares, utilizando como base el siguiente artículo: "Tin perovskite solar cells with >1,300 h of operational stability in N2 through a synergistic chemical engineering approach" 

1. ¿Qué es la perovskita?  
2. Las celdas actuales, problemas y ventajas
3. Grandes avances, ¡más de 1300 horas de funcionamiento!
4. Conclusiones.

1.  ¿Qué es la perovskita?

La perovskita es un mineral conocido de óxido de titanio y calcio (CaTiO₃). La perovskita también es un término con el que se describe a todos los compuestos con una estructura cristalina concreta

 Imagen 2: Estructura de Perovskita[2]

Debido a las propiedades de la perovskita, se ha empezado a utilizar en la fabricación de células solares, presentan un alto índice de refracción lo que hace que interacción sea fuertemente con la luz, puede absorber una amplia gama del espectro solar, incluyendo el visible y parte del infrarrojo cercano, es un mineral capaz de absorber luz y remitirla, además de otras muchas otras [3]

Video explicativo 1: Fabricación Célula Fotovoltaica [4] 

La eficiencia de estas células solares se ha incrementado desde un 3,8% en 2009 ​a un 26.9% en 2024. Las células solares de perovskita proponen aumentar la eficacia y reducir el coste de la energía solar. Como hemos dicho antes, pueden absorber una amplia gama del espectro solar, lo que le permite convertir una mayor cantidad de luz solar que a las células solares convencionales. Estas novedosas células podría llegar a tener una amplia variedad de aplicaciones. En resumen estas serían sus principales ventajas[5]: 

1. Aumenta la eficiencia.
2. Reducir coste de la energía solar.
3. Mayor conversión de luz solar en energía eléctrica.
4. Ligereza.
5. Flexibilidad.
6. Semitransparencia.
7. Nuevas aplicaciones para las células solares.

2. Las celdas actuales, problemas y ventajas.

En la actualidad, debido a su abundancia y su coste la amplia mayoría de las células fotovoltaicas están fabricadas de silicio. Según el proceso de fabricación del silicio, se pueden clasificar en: Células de silicio monocristalino, Células de silicio policristalino y Células de silicio amorfo[6].

Cada una de estas tiene sus pro y sus contras: 

• Células de silicio monocristalino: tienen un rendimiento entorno al 18-25%, pero su tiempo de fabricación y su coste son superiores al resto.
• Células de silicio policristalino: son mas económicas que las anteriores pero su rendimiento también es inferior, entorno al 16-20%.
• Células de silicio amorfo: se adaptan a cualquier superficie permitiendo su integración arquitectónica, sin embargo su rendimiento es muy inferior al del resto de las células fotovoltaicas del 6-8% .

Ya que conocemos un poco mejor la variedad de células fotovoltaicas de silicio vamos a conoce sus puntos fuertes, pueden convertir una gran proporción de la luz solar en energía eléctrica, su producción es relativamente barata, debido a la abundancia del silicio y la existencia desde hace años de la tecnología necesaria para fabricar las células, además de que las células de silicio pueden durar más de 25 años y requieren muy poco mantenimiento.

Pero no todo es bueno en la vida, en este tipo de células fotovoltaicas tienen también sus desventajas, la producción de los paneles solares de silicio requieren mucha energía, la cual viene de la quema de combustibles fósiles, lo cual producen una gran cantidad de gases de efecto invernadero. La producción de una panel solar puede llegar a producir hasta 4 veces su peso en dióxido de carbono,  requieren una gran cantidad de materias primas como pueden ser el silicio, aluminio, cobre... Al extraer y refinar estos materiales como el silicio, se producen un gran impacto ambiental, dañando al ecosistema y generado residuos difícil de eliminar, además de que la fabricación requiere el uso de productos como el ácido fluorhídrico y el nítrico, los cuales provocan contaminación en las aguas y si no se manejan con precaución pueden llegar a causar daños a los trabajadores, sin olvidarnos de los residuos (polvo de silicio), que son perjudiciales para la salud y medioambiente [7]

 

3. Grandes avances, ¡más de 1300 horas de funcionamiento!   

  

Gran parte de las celdas solares actuales utilizan plomo, lo que es obviamente problema con  respecto a la contaminación por lo que este artículo han abordado este problema. Existen varios sustitutos para el plomo, como por ejemplo: antimonio (Sb), bismuto (Bi), cobre (Cu), germanio (Ge) y estaño (Sn). De entre todos estos, el más prometedor es el estaño.

Lo que nos presenta este artículo son unas celdas solares basadas en estaño , más en concreto en Sn-HPs (perovskitas de haluro de estaño).  El estaño se puede oxidar, siendo este su mayor problema, por lo que deciden utilizar una serie de aditivos que eviten esta oxidación, como el borohidruro de sodio (NaBH4), yoduro de dipropilamonio (DipI) y FASnI3. Es la primera vez que se estudia este uso de aditivos en las celdas solares de SN-HPs.

  Imagen 2:

Como se ve en el artículo, se utilizan conjuntamente ambos aditivos lo que hace que la estabilidad aumente en gran medida. El dispositivo con todos los aditivos consiguió mantener la generación de energía durante 170 horas y funcionar al 96% durante 1300 horas. Por lo que concluye que los dispositivos basados en Sn-HP encapsulado funcionan bajo iluminación continua[8].

4.  Conclusiones.

Desafortunadamente, el rendimiento de los dispositivos se reduce a las 100 horas de iluminación continua incluso en atmósfera inerte. Además, 1300 horas de producción no son suficiente  para un uso a largo plazo. Este estudio revela la importancia crucial de controlar la fotoquímica de los haluros de estaño para obtener una estabilización eficiente y a largo plazo. 

 Por lo tanto, la exploración de nuevas estrategias que puedan aprovechar el efecto de absorción de luz que a la vez controlan el efecto perjudicial del yodo es necesaria para llevar las perovskitas de haluro de Sn a otro nivel.

En conclusión, este trabajo proporciona información valiosa sobre las células solares basadas en estaño, como mejorar su rendimiento y estabilidad y ha allanado el camino para su introducción en el mercado de la tecnología fotovoltaica.

Referencias 

[1] Imagen 1: Célula fotovoltaica  https://www.endesa.com/content/dam/endesa com/endesaclientes/blog/imagenes/10_POST_comofuncionanlospanelessolares.jpg.resize.414.250.center.center.jpeg  Fecha de acceso 19/12/2024 

[2]Imagen 2: https://es.wikipedia.org/wiki/Perovskita_%28estructura%29 Fecha de acceso 19/12/2024 

[3] Propiedades Perovskita: https://www.naturgy.es/hogar/blog/perovskita_la_revolucion_en_paneles_solares Fecha de acceso 19/12/2024 

[4] Video explicativo 1: Fabricación Célula Fotovoltaica: https://www.youtube.com/watch?v=lJKznw0gyyA&ab_channel=AtersaShop Fecha de acceso 19/12/2024 

 [5] Ventajas de la perovskita: https://mipanelsolar.com/blog/perovskita-la-tecnologia-solar-del-futuro Fecha de acceso 19/12/2024 

[6] Tipos de placas solares Silicio: https://www.iberdrola.com/innovacion/celulas-fotovoltaicas-fotoelectrica Fecha de acceso 19/12/2024 

[7] Desventajas placas solares de Silicio:https://es.oritron-solar.com/info/what-is-the-downside-to-silicon-solar-panels--91544170.html Fecha de acceso 19/12/2024 

[8] Artículo científico Jesús Sanchez-Diaz, Rafael S.Sánchez, Sofia Masi, ..., Juan F.Sánchez-Royo, Juan P.Martínez-Pastor, Iván Mora-Seró Células solares de perovskita de estaño con >1.300 h de estabilidad operativa en N2a través de un enfoque de ingeniería química sinérgica Joule6,861–883 (2022)

 

AUTORES

Sergio Castillejo Monterroso.
Sergio Moreno Pavón.
Alumnos de 4º del Grado de Química de la UCO.
Asignatura de Química, Historia y Sociedad.
Curso 2024/2025.