La importancia que tendrá la energía solar en el futuro es ya un hecho aceptado por la comunidad científica y la sociedad en general. Se cree que el futuro energético verde se sostendrá, principalmente, en este tipo de energía. Sin embargo, para que estos sistemas logren, finalmente, reemplazar las energías no renovables, todavía hay algunos inconvenientes que sortear. Y la perovskita podría ser la solución a uno de los más complicados.
La perovskita podría llegar a reemplazar el silicio en las placas fotovoltaicas, con lo que aumentaría su eficiencia, generaría procesos de fabricación más económicos y, por lo tanto, reduciría su costo. En otras palabras, podría revolucionar el campo de la energía solar en el mundo. ¿Qué es? ¿Cuáles son sus ventajas e inconvenientes? ¿Qué aplicaciones tendría? Te lo contamos.
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¿Qué es la perovskita?
La energía solar fotovoltaica funciona por medio de una serie de materiales que tienen la capacidad de absorber los fotones, las partículas lumínicas que emite el Sol, y liberar electrones. Por medio de ese proceso se genera la corriente eléctrica. Las placas solares actuales utilizan silicio en sus presentaciones monocristalino, policristalino o amorfo para funcionar.
Sin embargo, el silicio no es un material abundante y, hasta hace unos años, era muy costoso. Asimismo, se caracteriza por su baja eficiencia: solo el 20 % de la energía del Sol se convierte en electricidad. Con el objetivo de superar las limitaciones del silicio, desde hace algunos años los científicos están investigando nuevos materiales que puedan superarlo. Aquí es donde surge la perovskita.
La perovskita podría ser un material más barato, eficiente y común que el silicio. Y no es precisamente un elemento, sino un compuesto ternario. Es una amplia categoría en la que moléculas orgánicas como el hidrógeno o carbono forman una unión con un metal, como el plomo, y con un halógeno, como el cloro o el bromo. De esta forma, los átomos adoptan una forma de octaedro y al ser una combinación de tres cosas, tiene millones de variantes.
Ahora bien, cuando se habla de la perovskita dentro de la energía fotovoltaica, se suele hacer referencia a la composición de plomo, yodo y metilamonio. Esta composición revolucionó el campo científico gracias a sus extraordinarias propiedades, entre ellas, la conversión de luz solar en electricidad.
Desde el año 2009, se han redoblado los esfuerzos en investigación mundial. A la fecha, se ha logrado diseñar dispositivos estables con más de un 25 % de eficiencia.
Algunos datos sobre la perovskita
La primera vez que se habló de la perovskita fue en 1839, por el experto ruso Lev Perovski, quien encontró este material en los Urales. Al estudiarlo, encontró que tenía una apariencia metálica, cristalina y bastante similar al diamante.
La perovskita se produce de forma natural a partir del óxido de titanio de calcio; sin embargo, existen muchas otras combinaciones de elementos que llegan a adoptar la misma forma.
Solo hasta 2009, un científico japonés descubrió que el material podía absorber la luz y producir energía solar.
Consume menos energía que el silicio en su fabricación. Las celdas de silicio se fabrican en procesos complejos que requieren temperaturas de hasta 2 000 °C. Las celdas de perovskita se producen a temperaturas que no superan los 200 °C.
Se puede utilizar cerca del 90 % de la tabla periódica para formar combinaciones de perovskitas.
Inicialmente, se estima que las células de silicio-perovskita serán más caras que las de silicio actuales, porque necesitan más materiales y paso en el proceso. Sin embargo, la eficiencia del proceso compensará el costo adicional.
Es un material tolerante a los defectos. No se necesita una calidad excelente para tener buena conducción.
Tipos de celdas fotovoltaicas de perovskita
Cabe destacar que existen dos tipos de celdas con perovskita. Una es la unión con una célula de silicio en un único dispositivo. La célula de perovskita iría colocada encima y es conocida como tándem. Estas células permiten aprovechar toda la radiación del Sol y aumentar la eficiencia.
Lo anterior se debe a que la célula de perovskita absorbe las longitudes de onda cortas del espectro del Sol (los colores amarillo, verde, azul, violeta y ultravioleta), mientras que la célula de silicio absorbe las longitudes de onda largas (esencialmente el naranja, el rojo y una parte del infrarrojo). Gracias a esta combinación se ha logrado una cifra récord de eficiencia de conversión: 29,15 %.
La segunda opción son las células de perovskita de lámina delgada. Sus usos serían, principalmente, de aplicaciones integradas. Por ejemplo, en automóviles, ventanas o materiales de construcción. Esta línea todavía está en sus primeras fases, por lo que tardaremos algunos años en verlas.
Ventajas de la perovskita
Es un material al alcance de todos. Se puede encontrar casi en cualquier parte del mundo, especialmente en montañas. Además, su extracción es barata y no produce emisiones.
Se pueden crear una enorme cantidad de composiciones químicas, por lo que los expertos pueden probar múltiples combinaciones para elegir la más eficiente.
Utiliza elementos como el nitrógeno, el carbono, el hidrógeno o el plomo que son muy abundantes en el planeta.
Tiene excelentes propiedades físicas, dado que se obtiene con gran calidad estructural a temperaturas muy bajas; además ofrece elevados voltajes de operación.
Puede ser más eficiente, más estable, más conductor o más flexible según las combinaciones de compuestos que se hagan.
La perovskita podría ayudar a crear celdas solares flexibles que se usen en superficies que no sean planas. Es decir, ampliaría el espectro de aplicaciones.
Son tolerantes a los defectos. Es decir, no requieren ser construidas con un alto nivel de perfección para funcionar bien; al contrario del silicio que si se presentan fallas en la superficie, se reduce considerablemente su eficiencia.
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Inconvenientes de la perovskita
Uno de sus principales problemas es su expectativa de vida. La perovskita se apaga antes que el silicio y su degradación es más rápida. En general, el silicio puede tener hasta 20 años de vida útil, la perovskita solo alcanza mil horas.
Las células solares de perovskita son sensibles al oxígeno y al vapor de agua. Por lo tanto, su fabricación requiere de atmósferas inertes y procesos de fabricación encapsulado. Esto genera inestabilidad en los dispositivos, dado que se ven afectados por la humedad.
Las células de perovskita también pueden tener toxicidad en alguno de sus constituyentes. El material más aprovechado hasta la fecha es el CH3NH3Pbl3. Es decir, contiene plomo, que es altamente tóxico. Este elemento podría filtrarse de los paneles solares y contaminar el suelo y las aguas subterráneas.
En exposición al calor, la humedad o la nueve, la perovskita se puede romper.
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Aplicaciones futuras de la perovskita
Desde hace algunos años se han utilizado las perovskitas en distintas aplicaciones. Una de las más llamativas, por supuesto, es en las celdas solares, donde podrían reducir el costo de producción, aumentar la eficiencia e incrementar la disponibilidad de materiales.
Además, algunas combinaciones han demostrado tener excelente estabilidad, alto coeficiente de absorción, longitud de difusión de electrones de agujero largo (~ 100 nm), alta movilidad de portadores y baja temperatura de procesamiento. Por ello, son uno de los materiales con mayor potencial de sustituir al silicio, en cuanto sus inconvenientes logren solventarse.
Sin embargo, esta no es la única aplicación. Por ejemplo, las perovskitas que contienen oxígeno en su estructura se pueden usar en celdas de combustibles tipo SOFC (pilas de combustible de óxido sólido) debido a sus propiedades de transporte iónico-electrónico y catalíticas.
Además, los óxidos de perovskita de conducción mixta poseen estabilidades estructurales, térmicas y químicas; alta conductividad eléctrica; alta actividad catalítica hacia la reducción de oxígeno; y conductividades iónicas y electrónicas mixtas ideales para para temperaturas intermedias.
Además, gracias a su conductividad electrónica, la movilidad de sus electrones y su estabilidad térmica y química, entre otras características, tiene grandes aplicaciones en la catálisis, las pilas de combustible y la detección electroquímica. Es decir, puede usarse en sensores de detección de alcoholes, gases, aminoácidos, acetona, glucosa, neurotransmisores. En estos dispositivos presentan buena sensibilidad, estabilidad a largo plazo, excelente reproducibilidad y capacidad antinterferente.
Finalmente, destaca su uso como catalizadores. Los óxidos de perovskita se pueden usar como catalizadores gracias a sus propiedades morfológicas, superficiales y de estado sólido. En ese sentido, ha demostrado una actividad catalítica mejorada hacia diferentes reacciones como el desprendimiento de hidrógeno y el desprendimiento de oxígeno y las reacciones de evolución de oxígeno.
El futuro de la perovskita
En poco más de diez años, las capacidades de las perovskitas podrían solucionar nuestras necesidades energéticas. Además, sus requisitos de producción aumentan su potencial, junto con su variedad estructural. Es decir, las diferentes arquitecturas de dispositivos que se pueden generar pueden ampliar el espectro de aplicaciones.
Muchas de las líneas de trabajo actuales se enfocan en encontrar la composición química que haga a la perovskita más estable. De esta forma, apuntan a que este material pueda abastecer cualquier red eléctrica.
Esta tecnología es prometedora para responder a nuestras preocupaciones energéticas. Si se llegan a solventar sus inconvenientes —sobre todo los relacionados con la estabilidad y la toxicidad— podría ayudar a que se convierta en uno de los materiales del futuro.
Palabras finales
En definitiva, la perovskita es un material prometedor. En la apuesta por las energías renovables, esta podría ser una gran alternativa energética; a tal punto que podría suponer una revolución en el sector. Su bajo coste, su alta disponibilidad y, sobre todo, su flexibilidad de aplicaciones, sería un elemento transformador que podría ayudarnos a convertir casi todas las superficies en convertidores de energía.
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