Los investigadores de EPFL han encontrado una manera de reducir drásticamente la pérdida de energía y aumentar la eficiencia de las células solares de perovskita mediante la incorporación de rubidio utilizando tensión de celosía, una ligera deformación en la estructura atómica que ayuda a mantener el rubidio en su lugar.
La energía solar es una de las soluciones más prometedoras para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Pero hacer que los paneles solares sean más eficientes es un desafío constante. Las células solares de perovskita (PSC) han cambiado el juego, ofreciendo mejoras rápidas en la eficiencia y el potencial de fabricación de bajo costo. Sin embargo, todavía sufren pérdidas de energía y problemas de estabilidad operativa.
El desafío con perovskitas de banda ancha
Las células solares de perovskita, particularmente las utilizadas en configuraciones en tándem, se basan en materiales de banda ancha (WBG)—semiconductores que absorben luz de mayor energía («más azul») mientras permiten que la luz de menor energía (más roja) pase a través de— para maximizar la eficiencia. Sin embargo, las formulaciones de perovskita de banda ancha a menudo sufren de segregación de fase, donde los diferentes componentes se separan con el tiempo, lo que provoca una disminución en el rendimiento.
Una solución es agregar rubidio (Rb) para estabilizar los materiales de WBG, pero hay un problema: Rb tiende a formarse fases secundarias no deseadas, lo que reduce su eficacia en la estabilización de la estructura de perovskita.
La solución EPFL: tensión al rescate
Científicos liderados por Lukas Pfeifer y Likai Zheng en el grupo de Michael Grätzel en EPFL ahora han encontrado una manera de obligar a Rb a quedarse donde se necesita. Al utilizar «cepa de celosía» de la película de perovskita, lograron incorporar iones Rb en la estructura, lo que impidió la segregación de fase no deseada. Este novedoso enfoque no solo estabiliza el material WBG sino que también mejora su eficiencia energética al minimizar la recombinación no radiativa, un culpable clave en la pérdida de energía.
Los investigadores utilizaron la red stra—a distorsión controlada en la estructura atómica—para mantener Rb bloqueado en la red de perovskita. Lo hicieron ajustando la composición química y ajustando con precisión el proceso de calentamiento y enfriamiento. Calentamiento rápido seguido de tensión inducida por enfriamiento controlado, evitando que Rb forme fases secundarias no deseadas y asegurando que se mantuviera integrado dentro de la estructura.
Verificación y ajuste del enfoque
Para confirmar y comprender este efecto, el equipo utilizó Difracción de radiografías para analizar los cambios estructurales, estado sólido resonancia magnética nuclear rastrear la colocación atómica de Rb y el modelado computacional para simular cómo interactúan los átomos en diferentes condiciones. Estas técnicas proporcionaron una imagen detallada de cómo la cepa estabilizó la incorporación de Rb.
Además de la tensión de la red, también encontraron que la introducción de iones de cloruro es clave para estabilizar la red al compensar las diferencias de tamaño entre los elementos incorporados. Esto aseguró una distribución más uniforme de los iones, reduciendo los defectos y mejorando la estabilidad general del material.
¿El resultado? Un material más uniforme con menos defectos y una estructura electrónica más estable. La nueva composición de perovskita, mejorada con Rb estabilizado por tensión, logró un voltaje de circuito abierto de 1.30 V—, un impresionante 93.5% de su límite teórico. Esto representa una de las pérdidas de energía más bajas jamás registrado en perovskitas WBG. Además, el material modificado mostró un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia mejorado (PLQY), lo que indica que la luz solar se estaba convirtiendo de manera más eficiente en electricidad.
Impacto en las energías renovables
La reducción de la pérdida de energía en las células solares de perovskita podría conducir a paneles solares más eficientes y rentables. Esto es especialmente importante para las células solares en tándem, donde las perovskitas se combinan con el silicio para maximizar la eficiencia.
Los hallazgos también tienen implicaciones más allá de los paneles solares: se están explorando las perovskitas para LED, sensores y otras aplicaciones optoelectrónicas. Al estabilizar las perovskitas WBG, la investigación de EPFL podría ayudar a acelerar la comercialización de estas tecnologías.
Otros contribuyentes
- Laboratorio EPFL de Resonancia Magnética
- EPFL X-Ray Diffraction y Surface Analytics Platform
- Instalación de Crecimiento de Cristal EPFL
- Laboratorio EPFL de Química Computacional y Bioquímica
- Universidad de Nanjing de Aeronáutica y Astronáutica
- Universidad Nacional de Singapur
- Politecnico di Milano
Financiación
Güneov Perovskita Célula Solar A.S. (Turquía)
Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)
Universidad Nacional de Singapur Presidential Young Professorship
Centro Nacional Suizo de Computación (CSCS)
Referencias
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Espero, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. La incorporación de rubidio inducida por deformación en perovskitas de banda ancha reduce la pérdida de fotovoltaje. Ciencia 04 abril 2025. DOI: 10.1126/ciencia.adt3417
EPFL News. P. N. Traducido al español
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