El potencial de las perovskitas en los paneles solares

En la búsqueda por mejorar la eficiencia de los paneles solares, un material ha captado el interés de la comunidad científica y tecnológica: las perovskitas. Esto ha sido gracias a sus propiedades, que ofrecen un gran potencial para captar la energía solar; por eso, este material ha emergido como una pieza clave en la redefinición de la tecnología fotovoltaica.

En este sentido, es cierto que, en los últimos años, la fotovoltaica ha experimentado un avance significativo, y los módulos solares que contienen perovskitas pueden suponer toda una revolución del mercado. Y es que esta tecnología permite mejorar los niveles de eficiencia actuales. De hecho, en mayo de 2023, las células fotovoltaicas de silicio cristalino combinadas con perovskitas alcanzaron el récord teórico de eficiencia del 33,9%. Esto marcó un hito para el sector, ya que dejó atrás el récord de las células comerciales.

¿Quieres saber más sobre las perovskitas? En este artículo, te explicamos todo lo que debes conocer sobre este material: qué es, para qué sirve, las ventajas que aporta y sus principales desafíos.

¿Qué son las perovskitas y para qué sirven?

Las perovskitas son un mineral compuesto por carbonato de calcio, oxígeno, titanio y estroncio (CaTiO3). Este mismo fue descubierto en 1839 por el químico alemán Gustav Rose durante una expedición a los montes Urales. 

Es importante destacar que el término “perovskita” se aplica tanto al mineral como a una clase de compuestos que tienen el mismo tipo de estructura cristalina, conocida como la estructura de perovskita, que posee, por ejemplo, el titanato de calcio.

Gracias a su abundancia, su alto grado de eficiencia en la conversión de energía solar y su reducido coste de producción, se están usando en el desarrollo de nuevas tecnologías fotovoltaicas. Si bien su empleo aún no está extendido, el funcionamiento de los paneles solares de perovskitas es similar al de los convencionales. Es decir, generan energía mediante la absorción de fotones solares y la liberación de electrones, transformando la energía solar en electricidad.

No obstante, ¿cuál es la principal diferencia entre las perovskitas y las obleas de silicio de los paneles tradicionales? La respuesta está en la estructura. Las perovskitas muestran una disposición cristalográfica que mejora la eficiencia a la hora de convertir los fotones de luz en electricidad apta para el consumo.

Ventajas de usar las perovskitas en la energía solar

Ahora que ya conoces qué son las perovskitas, es el momento de conocer cuáles son los beneficios de emplear este material en la fabricación de placas solares:

Alta eficiencia

Es un componente semiconductor de bandgap* directo, lo que permite que los portadores de carga se difundan de forma correcta. Por este motivo, son buenos absorbentes y consiguen una alta eficiencia por medio del uso de capas finas.

*Bandgap: es la energía mínima que debe recibir un electrón de la banda de valencia para pasar a la banda de conducción. En el caso de las perovskitas utilizadas en celdas solares, lo óptimo es un bandgap cercano a 1,5 electronvoltios (eV) lograr la conversión de energía solar en electricidad.

Además, se está experimentando para combinar el silicio utilizado en las placas convencionales con este nuevo material. El objetivo es alcanzar la máxima eficiencia y construir células solares tándem. Hasta el día de hoy, el récord está en una eficiencia del 33,9% de conversión de luz solar en electricidad.

Reducción de los costes de producción

Los módulos fabricados con perovskitas son más baratos de producir que los de silicio, porque se basan en un material sintético. Aunque este no es el único motivo por el que son más económicos. 

Como se ha mencionado, las células fotovoltaicas convencionales se fabrican con silicio, un material extraído de la tierra que requiere de un proceso complejo para la fabricación de paneles solares eficientes. Por el contrario, los módulos elaborados con perovskitas se producen mediante un proceso de solución. Este método, de ejecución bastante sencillo, requiere menos energía y se realiza a bajas temperaturas, lo que reduce los costes de producción.

Lo interesante de este procedimiento de fabricación, en comparación con otras tecnologías de sistemas solares, es la capacidad de escalar el proceso manteniendo unos costes reducidos. Esta posibilidad conlleva un precio más bajo para el consumidor final, lo que se presenta como una oportunidad para facilitar el acceso a la energía solar y al autoconsumo fotovoltaico a más hogares y empresas.

Alta absorción solar

Entre los beneficios de las perovskitas, hay que tener en cuenta la gran capacidad de absorción de luz solar que presentan. Las células solares de este material tienen un alto coeficiente de absorción, una larga longitud de difusión de la carga y una baja generación de pares de excitones, lo que contribuye a su alta eficiencia. 

En esta línea, las investigaciones han demostrado que mejorar la absorción de luz en las células solares de perovskita es importante para aumentar los niveles de eficiencia de los sistemas de energía solar. De hecho, si se optimiza aún más esta capacidad de absorción mediante diseños estructurales innovadores, podría mejorarse de forma considerable el rendimiento a la hora de convertir la luz solar en electricidad.

Versatilidad y flexibilidad

Además de la alta absorción, las perovskitas poseen la propiedad de disolverse y poder imprimirse a temperatura ambiente, lo que las convierte en un material versátil y adaptable a diversos dispositivos. Esta característica no es interesante solo en el desarrollo de soluciones de integración de paneles solares en edificios y ventanas, sino que además supone una transformación para el sector electrónico en su conjunto.

Por otra parte, es un material más flexible y ligero que el empleado en los paneles tradicionales. Asimismo, se están haciendo pruebas para desarrollar paneles semitransparentes. Este diseño más atractivo abre la puerta a que la instalación fotovoltaica pueda ir más allá de los tejados y se pueda ubicar en otras partes de un edificio. 

Recuperación y reciclado de materiales

Otro punto a destacar de este material es la alta tasa de recuperación y reciclado, que puede llegar a situarse en torno al 99,2%.

De hecho, si las células solares de perovskitas se reciclan de manera efectiva, es posible reducir los costes energéticos de forma considerable. Por ejemplo, podrían ofrecer un 72,6% menos de consumo de energía primaria y reducir en un 71,2% la huella de carbono. En esta línea, de acuerdo con un estudio llevado a cabo por la Universidad de Cornell, un reciclaje efectivo de estos módulos mantendría las emisiones en niveles que podrían situarse en los 13,4 gramos de CO₂ por kWh de electricidad. Datos que superan a todas las alternativas del mercado. 

Desafíos de las perovskitas en celdas solares

Como cualquier proceso de innovación tecnológica, las perovskitas se enfrentan a algunos desafíos. Por este motivo, todavía se encuentran en fase de desarrollo y los investigadores siguen llevando a cabo pruebas para superar estos obstáculos y poder lanzar al mercado este tipo de paneles solares de manera generalizada en el menor tiempo posible. A continuación, presentamos los dos retos principales a los que se enfrentan.

Toxicidad

Las perovskitas más eficaces son aquellas que contienen plomo, lo que suscita preocupación por el impacto medioambiental y la seguridad durante la fabricación, el uso y su eliminación. Además, se ha señalado que este material podría tener propiedades cancerígenas.

Estos inconvenientes han impulsado la búsqueda de soluciones que eviten efectos nocivos en el ser humano y el ecosistema. Entre las estrategias propuestas, se incluyen la encapsulación física, la absorción química y el uso de materiales de perovskitas respetuosos con el planeta. Estas medidas buscan abordar este desafío y fomentar el desarrollo sostenible de esta novedosa tecnología.

Durabilidad

Si bien existen diversos estudios realizados en laboratorios que han demostrado la alta eficiencia de los paneles solares de perovskitas, las cuestiones respecto a la durabilidad del material todavía se encuentran en fase de investigación y desarrollo.

De hecho, este es uno de los mayores obstáculos a los que se enfrenta esta tecnología. En este sentido, los módulos fotovoltaicos construidos con silicio parten con ventaja, ya que, con un buen mantenimiento, son capaces de conservar el 90% de su potencia después de 25 años. Sin embargo, las perovskitas todavía se degradan muy rápido. Esto se debe a que es un material higroscópico, es decir, que absorbe la humedad del medio en el que se encuentra. Además, factores como la radiación ultravioleta y el calor aceleran la descomposición de las perovskitas. 

A pesar de esta limitación, se han conseguido avances significativos en poco tiempo, y algunos científicos predicen que, en pocos años, se podrán usar las perovskitas en sistemas fotovoltaicos. Mientras tanto, su aplicación actual se limita a contextos donde la durabilidad no desempeña un papel tan importante.

En definitiva, estos desafíos no han impedido que las perovskitas se presenten como un material prometedor que ofrece una alta eficiencia a un coste de producción reducido.

Paneles solares con perovskitas: el futuro de la energía solar

Las perovskitas no tienen por qué concebirse como un producto sustitutivo del silicio, sino como una alternativa complementaria. Ambos elementos pueden fusionarse para alcanzar un mayor rendimiento.

Por otro lado, esta no se trata de una tecnología limitada al sector fotovoltaico . Las perovskitas van mucho más allá. Gracias a sus propiedades eléctricas y magnéticas, se está estudiando su aplicación en otros campos, como en la fabricación de memorias LEM.

Si bien todavía tendremos que esperar unos años para averiguar cómo los investigadores resuelven los desafíos, en la actualidad ya es evidente que las perovskitas tienen un futuro prometedor dentro de las energías renovables.

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