La perovskita, nuestra gran aliada en la lucha contra el cambio climático

Artículo publicado en The Conversation por Eva Barea

La energía solar fotovoltaica, que consiste en la captación de la energía solar para ser convertida en electricidad, ha experimentado una gran revolución en las dos últimas décadas con el empleo masivo de un material llamado perovskita.

Actualmente estamos en la cuarta generación de células solares; así es como se denominan los dispositivos o placas solares en del campo científico. 

La primera generación de células solares está basada en silicio cristalino o policristalino, con una eficiencia máxima del 22 %. 

En las de segunda generación se emplean las llamadas células de capa fina, basadas en elementos como el selenio, zinc, galio, indio, cadmio y estaño. 

En las de tercera generación se utilizaron por primera vez materiales nanométricos para captar radiación solar. En ella se usan compuestos orgánicos absorbedores de luz (células solares de colorante) junto con las células solares poliméricas en las se emplean polímeros conductores. 

La cuarta generación se caracteriza por las células solares basadas en perovskita. 

El auge de las perovskitas

El empleo masivo de este material comenzó en 2009 en Japón cuando un grupo de investigadores de la Universidad de Tokio empleó una perovskita como material absorbedor de luz. Ya en el primer experimento, los científicos obtuvieron una buena eficiencia de conversión de luz solar a electricidad, de un 3,8 %. Aunque el valor es bajo, para una primera prueba es más que aceptable. 

A pesar del gran resultado inicial, comprobaron que la estabilidad era muy baja. No obstante, aquel fue solo el inicio de una loca carrera hacia lo que es hoy en día una prometedora realidad. En algo más de una década, se ha alcanzado una eficiencia de conversión del 25,5 %. 

Este material ha avanzado en tan solo trece años lo que el silicio tardó cincuenta años en recorrer. Se ha mejorado mucho su estabilidad frente a agentes externos como la humedad y el oxígeno, y la perovskita ya no se degrada en horas. No obstante, todavía falta mejorar el encapsulado final de las células solares para asegurar un larga vida útil del producto final.

Estructura y composición

Las perovskitas son materiales con estructura química ABX₃, donde A es un catión orgánico voluminoso como el metilamonio o inorgánico como el cesio, B es un elemento metálico como el plomo o el estaño y X es un elemento halogenado, siendo bromo y cloro los más habituales.

La perovskita nos ha permitido disminuir costes de fabricación. Su síntesis es sencilla y muy rápida, y además se emplean materiales abundantes y baratos. No es necesario emplear temperaturas elevadas de procesado como ocurre en las células solares de silicio y en las de capa fina (primera y segunda generación de células solares). 

Todas estas características de síntesis permiten que la fabricación de un panel solar de perovskita sea mucho más económico que un panel solar de silicio. 

Además, son materiales multifuncionales, absorben luz y son capaces de transportar tanto electrones como huecos. Son muy agradecidos, ya que con pequeñas modificaciones de síntesis se pueden modificar sus propiedades fácilmente. A todo esto hay que añadir los grandes esfuerzos que se están realizando para que sean estables y duraderas.

Pieza clave del cambio energético

La perovskita es un material barato y, como en su proceso de fabricación no es necesario emplear altas temperaturas, es posible fabricar las células solares incluso sobre substratos flexibles. 

Al ser nanomateriales con gran capacidad para absorber la radicación solar, los dispositivos finales son ligeros y semitransparentes, ya que no es necesaria una capa gruesa de material. Y debido a la alta eficiencia de conversión energética, incluso en condiciones lumínicas bajas pueden llegar a ser empleadas como ventanas inteligentes en arquitectura y en interiores para suministrar electricidad a los dispositivos móviles que tanto empleamos actualmente, como son los teléfonos inteligentes, portátiles, etc. 

Y por si todo esto fuera poco, la perovskita aun nos ha sorprendido una vez más. No solo se presenta como un sustituto del silicio, sino también como un aliado. Al unir ambos materiales se ha podido alcanzar una eficiencia de conversión del 29,15 % y más de 300 horas de funcionamiento, muy cerca del límite teórico que es de un 33 %. 

Esta combinación permite aumentar la eficiencia, ya que cada material absorbe ondas de luz a diferentes longitudes; el silicio absorbe en el rojo y en el infrarrojo y la perovskita mayoritariamente en el verde, azul y ultravioleta. Por eso, su combinación hace que se aproveche prácticamente toda la radiación solar que llega a la Tierra desde el Sol.

Actualmente los paneles solares comerciales, que cada vez se ven más en los tejados de nuestras casas, están basados en silicio cristalino o arseniuro de galio, que tienen un precio elevado. Siguen predominando estos materiales porque el escalado industrial de las células solares de perovskita (para la producción de paneles solares) todavía no está desarrollado plenamente.

No obstante, las células solares de perovskita van a desempeñar un papel crucial en el necesario cambio energético al que se enfrenta actualmente la sociedad.