No hay en el momento presente ninguna tecnología que genere las expectativas que están creando las células solares basadas en una clase de materiales denominados perovskitas . una verdadera revolución en el campo de la energía solar fotovoltaica. Vamos a tratar de entender las razones
¿Cómo aprovechan las células solares la energía del Sol?
Justo antes de entrar en la atmósfera terrestre, la radiación solar tiene distribuida mayoritariamente su energía en longitudes de onda situadas entre 200 nm (ultravioleta) y 2500 nm (infrarrojo), tal y como muestra la figura:
El espectro del Sol en el borde exterior de la atmósfera (en amarillo) y en la superficie de la tierra (en rojo)
Como se aprecia en la figura anterior, una buena parte de esa radiación no alcanza la superficie de la Tierra, debido a diversas causas. Una parte es dispersada por el polvo, los aerosoles y las diversas moléculas que se hallan en suspensión en la atmósfera, otra fracción es devuelta al espacio exterior al reflejarse en las nubes, que juegan un papel esencial en la regulación de la temperatura de la atmósfera y de la superficie de la Tierra. También hay una parte significativa que es absorbida por átomos y moléculas en suspensión: el Nitrógeno y el Oxígeno absorben el ultravioleta, bloqueando la llegada a la superficie de estas radiaciones, de longitudes de onda inferiores a 200 nm. Además, las moléculas de Oxígeno se pueden romper tras absorberlo, dando lugar a moléculas de Ozono, que a su vez absorben radiaciones ultravioleta de longitud de onda aún más cortas.
Todos estos procesos producen “zanjas” profundas en la distribución espectral de la radiación, como muestra la figura anterior. Por ejemplo, gran parte de la radiación infrarroja de longitud de onda mayor de 2000 nm, es absorbida por el vapor de agua (H20) y el CO2. Del mismo modo, la mayor parte de la luz ultravioleta, de longitudes de onda menores de 300 nm, es absorbida por el Ozono, aunque no lo suficiente como para prevenir por completo las quemaduras solares.
Cuando la luz solar incide sobre un semiconductor, este solo absorbe la luz de una energía mayor que una magnitud denominada “banda prohibida”, un parámetro característico de cada semiconductor, que se obtiene a partir de la física cuántica aplicada a los sólidos y que se expresa en electrón-voltios (eV). No todas las energías situadas por encima de la de la banda prohibida se absorben de un modo eficiente por parte de un semiconductor, antes al contrario, la absorción de esas energías producen fenómenos indeseables en la célula solar fabricada con un semiconductor dado. La siguiente figura lo ilustra para una célula solar de silicio, la tecnología hegemónica en la industria fotovoltaica en la actualidad.
Las energías del espectro solar que absorbe adecuadamente una célula solar de silicio (en amarillo) y las que no se absorben o lo hacen de manera ineficiente (en gris)
Desde el punto de vista teórico, la eficiencia máxima de conversión de energía solar en energía eléctrica de una célula solar fotovoltaica se obtiene para un dispositivo fabricado con semiconductor en el que valor de su banda prohibida es 1.4 eV, cálculo que se conoce desde hace décadas y que debemos a W. Shockley y H.-J. Queisser, que impone un límite absoluto del 32.5% a la eficiencia de una célula fotovoltaica integrada por una sola capa absorbente. Para obtener rendimientos de conversión de energía solar en eléctrica mayores, es imprescindible absorber de modo más eficiente una fracción más significativa de la luz solar, lo que se logra apilando unas encima de otras varias células con diferentes valores de la banda prohibida, en unas estructuras denominadas tándem (unión de dos células) o de multi-unión (unión de tres o más células). Mediante estas estructuras, es posible elevar el límite de eficiencia teórico al 44.3% (tándem) y al 50.1% para estructuras de unión triple. En el siguiente vídeo explico con algún detalle en que consiste este concepto, al que volveremos con más detenimiento en un próximo artículo:
Veamos entonces qué son las perovskitas y por qué son tan interesantes para aprovecharlas como dispositivos capaces de convertir eficientemente la energía solar en eléctrica.
¿Qué son las perovskitas?
La perovskita es un mineral natural denominado titanato de calcio, cuya fórmula química es CaTiO3. Este mineral fue descubierto por primera vez por el mineralogista alemán Gustav Rose en 1839 y recibió su nombre en honor al mineralogista ruso Lev Perovski. Generalmente, los materiales que tienen la misma estructura cristalina del CaTiO3 se denominan materiales de perovskita. En general, tienen una composición genérica de la forma AMX3, donde A y M son cationes metálicos y X es un anión. La forma en la que los diferentes átomos del compuesto se agrupan en el espacio se muestra en la siguiente figura:
Estructura cristalina genérica de los materiales perovskita
En los últimos años, un grupo de materiales de perovskita llamados perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas con una composición química más compleja, formadas por un catión de amonio orgánico A (CH3NH3, NH=CHNH3, etc.), un catión metálico B (Pb, Sn, Cd, Fe, Co, Cu, etc.) e iones haluro X (Cl, Br o I), ha atraído un interés sustancial. Desde la década de 1970, se han realizado numerosas investigaciones sobre esta familia de materiales para comprender mejor la diversidad de propiedades ópticas, magnéticas y electrónicas que poseen. Gracias a esas propiedades, las perovskitas orgánico-inorgánico son ideales para fabricar dispositivos fotovolt
aicos, aunque esto no se ha puesto de manifiesto hasta bien entrado el presente siglo. En efecto, las células solares basadas en perovskitas han experimentado un crecimiento sin precedentes entre las tecnologías fotovoltaicas de nueva generación, con eficiencias certificadas que superan el 25% al día de hoy en célula individual. Además, dado que la composición de la perovskita se puede ajustar para obtener valores de la banda prohibida de energía variables en un amplio margen, se pueden fabricar células tándem con silicio con eficiencias superiores al 30%, como la que abre este artículo. Además, la facilidad de obtención de las células solares de perovskita hace que sea posible fabricarlas en cantidades industriales con bajas inversiones, lo cual es importante para compensar en poco tiempo los costes adicionales de las células solares en tándem, al aumentar la producción de energía que se obtiene en comparación con las células individuales.
La breve historia de las células solares basadas en perovskitas
El primer dispositivo fotovoltaico basado en perovskita fue publicado en 2009, en el que se utilizaron yoduro de plomo de metilamonio (CH3NH3PbI3) y bromuro de plomo de metilamonio (CH3NH3PbBr3). Se anunció una eficiencia de conversión baja (3.8%) y muy poca estabilidad, razón por la que tuvo escaso interés.
En 2012, las características del material absorbente (CH3NH3PbI3) fueron mejoradas, gracias a lo que la eficiencia de conversión se incrementó al 10%. Estos resultados, obtenidos en tan corto espacio de tiempo iniciaron la llamada “fiebre de la perovskita” por todo el mundo. En noviembre de 2014, un dispositivo fabricado por investigadores del Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), logró un récord eficiencia no estabilizada del 20.1%. En diciembre de 2015, investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) lograron un récord del 21%. En marzo de 2016, los investigadores de KRICT y el Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST) obtuvieron un nuevo récord del 22.1%. Hoy en día, esa eficiencia ya se sitúa en el 25.6% para una célula individual, compitiendo en pie de igualdad con las células solares de silicio (aunque con problemas de estabilidad todavía no resueltos). No ha habido una sucesión de records de eficiencia obtenidos con esta velocidad en ninguna otra tecnología fotovoltaica. La figura siguiente muestra algunos hitos importantes en el progreso de los dispositivos fotovoltaicos basados en perovskitas:
La carrera por la eficiencia de diversas células solares basadas en perovskitas, puesta en comparación con otras tecnologías emergentes. Como se indica al principio de este artículo, recientemente ya se ha superado la barrera del 30%
Este progreso fulgurante ha estimulado un gran interés en esta tecnología fotovoltaica, como demuestra el hecho de que el número de artículos publicados anualmente sobre el tema aumenta un años tras otro. La siguiente figura muestra esa progresión, medida como número de publicaciones anuales desde 2009 hasta el año pasado:
Búsqueda de la entrada “perovskite solar cells” en el portal Scopus efectuada a principios de octubre del presente año, en el que se muestra el número de artículos científicos publicados sobre estos dispositivos, desde 2009 (21) hasta finales del año pasado, en el que se superaron los 4200 artículos
En un artículo próximo, describiré lo que sin duda es hoy en día la mayor esperanza para obtener valores muy elevados de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos a costes competitivos: las células tándem Silicio-Perovskita.
Ignacio Mártil
Catedrático de electrónica en la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
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