NREL entinta un futuro para los perovskitas

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Pintar células solares proporciona un nuevo camino al mercado

David Moore maneja un pincel barato, del tipo que comprarías en una tienda de pasatiempos por menos de un dólar. Con una mano firme, enguantada de púrpura, pinta un líquido amarillento en un pedazo de vidrio especialmente preparado del tamaño de medio dólar. Y tan simple como eso, nace una célula solar perovskita.

Según Joseph Berry, científico principal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, «no hay otra tecnología con la que se pueda hacer esto». Berry, quien lidera el equipo de células solares híbridas y de perovskita del laboratorio, observa que un voltímetro conectado a la nueva célula solar de Moore registra la presencia de una corriente eléctrica. «Simplemente no hay», enfatiza.

Moore, un científico del personal de NREL, está investigando solventes de secado rápido para el desarrollo de tinta de perovskita, un atajo para la eventual comercialización de las tecnologías de perovskite. Esta innovación podría reemplazar el método más común para fabricar células solares de perovskita en el laboratorio: depositar algunas gotas de los productos químicos necesarios en un sustrato de vidrio, girar alrededor para que el líquido lo cubra, calentarlo sobre una placa caliente y esperar unos minutos hasta que se seca

La tecnología dominante en la industria solar, el silicio, se basa en un elemento químico que se calienta hasta el punto de fusión, y eso es solo el comienzo del proceso. Sin embargo, una célula solar hecha de perovskita (una palabra que se refiere a la estructura cristalina de los materiales), promete ser económica y altamente eficiente.

Pero lo que funciona en un laboratorio no siempre se traduce fácilmente al éxito de fabricación. La hilatura en el proceso de perovskita común arroja la mayor parte del líquido, por lo que se necesitaba un mejor enfoque. Por lo tanto, los investigadores de NREL cambiaron sus esfuerzos para adaptarse a la idea del procesamiento rollo a rollo. De la misma manera que un periódico puede producir rápidamente cientos de miles de copias de la edición de ese día utilizando un proceso de impresión masivo, la tinta de perovskita también se puede aplicar al vidrio flexible. Sin embargo, lograr esa hazaña requerirá tinta con la fórmula correcta.

A mediados de enero, Moore entregó su pincel al Subsecretario de Energía Mark Menezes durante su visita a NREL. «Literalmente estábamos haciendo un experimento científico, no una demostración», recuerda Moore. «No sabíamos lo que iba a pasar».

Menezes replicó el éxito de Moore, su célula solar generó alrededor de 100 milivoltios. Las mejoras en el proceso desde entonces han llevado ese número a 650 milivoltios, que es el vecindario en el que el Secretario de Energía Rick Perry encontró su propia célula solar cuando tuvo la oportunidad de probar la pintura de perovskites durante una visita a NREL a mediados de -Agosto.

Terawatts de poder adicional predicho

Hasta ahora, estas células solares pintadas son pequeñas y no producen mucha energía, pero representan un paso importante en el camino hacia la producción de 25 teravatios, la cantidad de capacidad de energía nueva que los investigadores estiman que necesitará el planeta en los próximos 30 a 50 años A medida que la población sigue aumentando.

«Eso es mucho poder», dice Moore. «No se pueden fabricar paneles de silicona lo suficientemente rápidos para satisfacer esa demanda. Pero si puede enrollar material en prensas, entonces podría hacerlo. Llegar a un proceso de fabricación rollo a rollo resolvería el problema de la velocidad. La forma más probable Hacer eso sería tinta húmeda «.

Las células solares funcionan cuando la luz solar provoca el movimiento de los electrones, creando un flujo de electricidad. Muy pocos electrones en acción significan baja eficiencia. Obtener más electrones para moverse mejora la eficiencia, pero mover demasiados hace que la energía se desperdicie como calor. Es por eso que las células solares están diseñadas para ser ajustadas, o «afinadas», para maximizar la eficiencia al atraer una porción específica del espectro solar. Tuning perovskites requiere un ajuste en la composición del material.

Tomemos, por ejemplo, el tipo de perovskita fabricada comúnmente en el NREL, creada a partir del yoduro de metilamonio y el yoduro de plomo para producir triyoduro de plomo y metilamonio. Activar más electrones requiere la adición de bromuro. Alcanzar un segmento diferente del espectro requiere reemplazar parte del plomo con estaño.

«Lo que estaría bien sería si tuviera una formación de tinta singular que fuera buena para todas las diferentes composiciones que queremos usar», dice Moore, «y todavía no tenemos eso. Estamos trabajando en eso».

Mark Menezes, Subsecretario de Energía, fabrica una célula solar de perovskita durante una visita a NREL. 
Foto de Dennis Schroeder, NREL

Fabricación de tinta en grandes cantidades

Para hacer tinta de perovskita, deben combinarse los ingredientes activos que finalmente forman la película sobre el sustrato. Otras formulaciones requieren un procesamiento más complicado, que incluye agregar un antidisolvente para completar el proceso. Pero mientras que solía haber un marco de tiempo estrecho para agregar el antidisolvente, un solo segundo, una investigación innovadora en NREL abrió esa ventana a ocho minutos.

Cambiar ese marco de tiempo hace que un sistema rollo a rollo para la fabricación de células solares de perovskita sea aún más prometedor para el futuro. «Al aumentar la ventana de procesamiento, el rendimiento de la producción aumentará significativamente», dice Maikel van Hest, científico principal del Centro de Química y Nanociencia de NREL.

La cantidad de tinta de perovskita en el vial de Moore es pequeña: un mililitro, que solo es suficiente para una demostración de laboratorio. Pero como las perovskitas deben moverse más allá del laboratorio, también debe hacerlo la tinta.

«No hacemos cientos de galones a la vez», dice van Hest sobre la tinta utilizada en la pintura de Moore. «La mayor cantidad de tinta que hemos fabricado a la vez es cuando hicimos algunas pruebas de rollo a rollo. Estamos hablando de varios cientos de mililitros a la vez. Pero esa es una cantidad lo suficientemente grande como para que tengas la confianza de que puedes hacer esto. En galones o cientos de galones «.

También se necesita otro tipo de tinta, desarrollado por van Hest, para hacer que la célula solar perovskita funcione. Sus tintas metálicas le permiten depositar capas de contacto sobre el sustrato de vidrio antes de que Moore agregue la tinta de perovskita. Sin la capa de contacto, hecha de dióxido de titanio en este caso, los electrones no tendrían a dónde ir. Como Moore dice sobre van Hest, «En realidad hace la parte difícil, pero no puedes verlo. Simplemente entro, pinto mi perovskita y me saco una foto».

Cómo su casa podría beneficiarse

La capacidad de hacer capas de contacto y perovskitas utilizando estas tintas especializadas podría, en última instancia, proporcionar otro camino al mercado, además de la fabricación rollo a rollo. Puede llegar el día en que una cuadrilla llegue a su casa, rocíe la capa de contacto metálica en una pared exterior y, cuando esté seca, aplique la tinta de perovskita.

«Uno pinta su casa una vez cada 15 años», dice Berry. «Te gustaría que esto dure al menos tanto tiempo».

Berry y otros han encontrado un tremendo potencial para las células solares de perovskita. La eficiencia de la tecnología para convertir la luz solar en electricidad alcanzó un hito tras otro, moviéndose más rápido que cualquier célula solar. Otra investigación demostró que las perovskitas también poseen la longevidad necesaria para el uso a largo plazo y pueden ampliarse más allá de las pequeñas muestras hechas en un laboratorio.

«¿Vamos a tener un producto comercial la próxima semana? No, todavía no», dice van Hest. «Pero nos estamos acercando cada día».

https://www.nrel.gov/news/features/2018/nrel-inks-a-future-for-perovskites.html

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