Nuevo material que podría doblar la eficiencia de las placas solares (Física y Química)

Nuevo material que podría doblar la eficiencia de las placas solares

Investigadores de la Universidad de Purdue y del Instituto Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos han descubierto que un tipo de perovskita híbrida podría tener el potencial de hasta poder doblar la eficiencia energética de las células fotovoltaicas actuales, pudiendo sustituir en un futuro al silicio en las mismas.

Las placas solares actuales pueden llegar como mucho al 33% de eficiencia, límite conocido como el límite Shockley-Queisser. Las más comunes usan silicio Captura de pantalla de 2017-05-01 09-45-52como semiconductor, el cual sólo puede transmitir una tercera parte de la energía debido a la band gap, que es la energía necesaria para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, en la cual los electrones son capaces de moverse, creando una corriente eléctrica.

Los fotones recogidos por las placas fotovoltaicas pueden tener más energía que la band gap, y los electrones pueden existir durante un breve período de tiempo con una mayor energía, hasta perderla en forma de calor. Estos electrones, denominados hot carriers, en el silicio existen durante un picosegundo, viajando durante una distancia máxima de 10nm.

El equipo de investigadores ha desarrollado una técnica mediante microscopía ultra rápida, con la que pueden rastrear el recorrido y la velocidad de los hot carriers. Mediante esta técnica han observado que la distancia que los hot carriers deben recorrer, es del grosor de una célula fotovoltaica al menos, o alrededor de los 200nm.

 La perovskita se trata de un mineral de estructura idealmente cúbica, y de fórmula general A2+B4+X2-3. La perovskita clásica es la de fórmula CaTiO3, y en la figura adjunta (izquierda) las esferas rojas representarían el oxígeno, las azules el titanio, y las grisáceas el calcio.

 
Captura de pantalla de 2017-05-01 09-47-01

El nuevo material con el que ha trabajado este equipo de investigadores, se trata de una perovskita híbrida, cuya estructura cristalina, que podemos observar en la figura adjunta (derecha) contiene especies tanto inorgánicas (I, Pb), como orgánicas (metilamonio). En este tipo de material los hot carriers pueden vivir tiempos de alrededor de 100 picosegundos, dos órdenes de magnitud por encima que los del silicio, y pueden recorrer los 200nm necesarios para la eficiencia de la placa.

Con esta perovskita híbrida se ha conseguido que dos tercias partes de la energía obtenida de los fotones sea transportada, y evitando la gran pérdida de energía en forma de calor que ocurría en el silicio. También, con este material permite que se fabriquen placas solares más finas, flexibles, económicas, y fáciles de fabricar.

Sin embargo, antes de comercializar el producto, los investigadores están trabajando en el reto de sustituir el plomo por otros materiales menos tóxicos, manteniendo la eficiencia energética, y de encontrar o desarrollar materiales de contacto apropiados, o estructuras con los niveles de energía adecuados para extraer estos hot carriers y generar energía en el circuito externo, pudiendo ser esto último, según los propios investigadores, difícil.

Para más información: Guo, Z., Wan, Y., Yang, M., Snaider, J., Zhu, K., Huang, L., Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy. Science 356, 59-62 (2017)

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