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18 agosto, 2019

Este tándem de silicio+perovskita podría revolucionar la energía solar

Aunque el silicio domina el mercado y es más duradero, la perovskita es más eficiente, barata, flexible y fácil de fabricar. Un prototipo que combina ambos materiales ha logrado convertir el 28 % de la luz solar en electricidad y no necesita nuevas fábricas ni cadenas de suministro.

  • Las células solares de pervoskita son más baratas, más ligeras, más eficientes energéticamente y más fáciles de producir que las de silicio
  • Se pueden colocar en ventanas, en superficies irregulares o incluso en vehículos en movimiento y abren nuevas posibilidades de usos para la energía solar, como la desalinización.
  • El mayor reto: aumentar su vida útil

El pasado diciembre, un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford (Reino Unido) enfocó la luz de una lámpara solar sobre una pequeña célula fotoeléctrica de un centímetro cuadrado. Aunque en realidad eran dos células, colocadas una sobre la otra. La de abajo era del típico silicio que se usa en los paneles solares estándar. Pero la que estaba arriba era de pervoskita, un material con una estructura cristalina, especialmente capaz de convertir la luz en electricidad.

 

Se usó un par de sondas conectadas este tándem de células fotovoltaicas para medir su rendimiento. Otros investigadores del laboratorio de Oxford PV, una spin-off de la universidad nacida en 2010, se reunieron tras un monitor de pantalla plana, esperando con expectación que apareciera el cálculo de la eficiencia de las células. En cuanto lo vieron, empezaron a abrazarse y celebrarlo. La célula había convertido el 28 % de la energía de la luz en electricidad, un nuevo récord de eficiencia para un dispositivo de pervoskita sobre silicio. Dos días más tarde, otra prueba independiente en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, en EE. UU.) confirmó el resultado.

 

Foto: La célula fotoeléctrica de tamaño comercial de Oxford PV (arriba) junto a la versión de un centímetro cuadrado (abajo). Créditos: Oxford PV


 

Aunque los paneles de silicio dominan el mercado de la energía solar, con alrededor del 95 % de cuota, este material no es especialmente bueno a la hora de convertir la luz solar en electricidad. Se centra en la luz del extremo rojo e infrarrojo del espectro solar, y sus diseños tienen que ser bastante gruesos y voluminosos para absorber y convertir los fotones. Los paneles solares de silicio más eficientes del mercado alcanzan una eficiencia de menos del 23 %, mientras que el máximo teórico para una sola capa de silicio es de alrededor del 29 %.

 

La perovskita puede aprovechar mucho más la luz que recibe y es posible ajustarla para interactuar con diferentes partes del espectro. Oxford PV ha optado por el extremo azul. De este modo, cuando el silicio y la perovskita se combinan en una única célula, su capacidad de convertir fotones en electrones es mayor de la que conseguiría cualquiera de ellos por separado.

 

Oxford PV planea comercializar sus células solares basadas en perovskita y silicio para finales del próximo año, y las producirá en una fábrica alemana de Bosch Solar que adquirió en 2016. Los dos materiales irán en un paquete con un aspecto similar al de cualquier panel solar estándar. Y se enviará e instalará de la misma forma, como una especie de paso intermedio que la empresa cree que facilitará la introducción de esta tecnología en el mercado.

 

Foto: Centro de fabricación de Oxford PV en Alemania. Créditos: Oxford PV


 

“Es una variación de la tecnología que no altera el negocio”, resalta el director de Tecnología de Oxford PV, Chris Case.

 

Hace una década, docenas de start-ups intentaron sustituir el silicio, pero acabaron en bancarrota o sirviendo a mercados increíblemente pequeños. Pero en los últimos meses, inversores de capital riesgo han invertido decenas de millones de euros en empresas de perovskita. Esta inyección de dinero está caldeando el mercado de los materiales solares alternativos, que llevaba años congelado. Así que ahora, la cuestión es si las perovskitas también fracasarán, o si finalmente vencerán a los paneles de silicio en el mercado.

 

“Existe todo un conjunto de factores que probablemente la conviertan en una tecnología revolucionaria. Pero la lista de tecnologías que han intentado competir con el silicio es larga y conocida, por lo que también hay que ser humilde en ese sentido”, opina el director del programa de investigación de perovskita NREL, Joe Berry.

 

Una célula solar dopada
A finales de la década de 2000, varias start-ups bien financiadas intentaron comercializar materiales solares nuevos y más flexibles, incluidas las delgadas películas de telururo de cadmio y el seleniuro de galio e indio-galio (¿se acuerda de Solyndra?), así como células solares orgánicas. La promesa era que las células hechas de tales materiales serían mucho más baratas de fabricar y podrían producirse en varias formas.

 

Pero los paneles solares de silicio se estaban desarrollando rápidamente. Sus niveles de eficiencia continuaron mejorando y los precios se desplomaron gracias a los esfuerzos de investigación financiados por gobiernos, políticas de estimulación del mercado y economías de escala.

 

Gráfico: Costes del sistema fotovoltaico comercial (expresados en dólares estadounidenses por vatio de corriente directa para sistemas de inclinación fija). Fuente: Laboratorio Nacional de Energías Renovables | Gráfico creado por MIT Technology Review


 

China, por ejemplo, introdujo subsidios y estrategias agresivas para acelerar la fabricación y las exportaciones para intentar dominar el mercado. Sus envíos y su participación en el mercado global comenzaron a mediados de la década de 2000. Pero pronto empezaron a surgir las denuncias por ofrecer ventas a pérdidas (dumping) ilegales con el objetivo de eliminar a sus rivales en el extranjero. Los precios de los paneles de silicio comerciales se redujeron más de la mitad entre 2010 y 2013, y el mercado de los materiales alternativos se hundió.

 

Así que, en la actualidad, para justificar el enorme coste de construir nuevas fábricas, cadenas de suministro y canales de distribución, cualquier material nuevo tiene que ser mejor en los aspectos más básicos. Debe ser más eficiente, más barato de fabricar, más versátil, más duradero o idealmente todo eso junto.

 

La pervoskita sí destaca en algunas de esas categorías. Teóricamente, una sola capa puede alcanzar el 33 % de eficiencia, mientras que un tándem de perovskita sobre silicio podría llegar a alrededor del 43 %. La alta eficiencia es importante porque se puede producir más electricidad con un mismo número de paneles, o la misma cantidad con una huella más pequeña y costes más bajos.

 

Los módulos solares de pervoskita también deberían ser más baratos de fabricar, al menos con el tiempo. El proceso de fabricación de los paneles solares de silicio consta de varios pasos. Uno de ellos consiste en refinarlo silicio a fuego alto, infundirlo con otros materiales y cortarlo en forma precisa en obleas que luego deben modelarse con precisión en una habitación estéril para crear una célula fotovoltaica.

 

Por el contrario, la pervoskita se puede producir a bajas temperaturas y utilizar en forma líquida para recubrir materiales flexibles como el plástico, lo que permite un proceso de fabricación similar a la impresión de periódicos. Al poder reutilizar la fábrica de Bosch, Oxford PV espera poder producir células de silicio y perovskita en grandes cantidades y combinarlas en paneles de apariencia estándar para finales del próximo año. “Es una célula solar ordinaria con esteroides”, explica Case.

 

En marzo, Oxford PV afirmó que había recaudado más de cerca de 35 millones de euros para sacar sus productos al mercado, lo que elevó su financiación total a alrededor de casi 90 millones de euros. La fábrica producirá 250 megavatios de células fotovoltaicas cada año.

 

Otra start-up especializada en perovskita, Energy Materials, también está trabajando en una estrategia similar. Con sede en Rochester (EE. UU.), utiliza equipos de filmación, que originalmente fueron construidos para Eastman Kodak, para producir paneles solares exclusivamente de perovskita de forma masiva. Cuando alcance el pleno rendimiento, el proceso costará la mitad de lo que costaría la fabricación de un módulo solar tradicional, mientras que los costes de capital serán mucho más baratos, ya que el silicio requiere máquinas y plantas costosas y precisas, explica el director de Tecnología de Energy Materials, Thomas Tombs.

 

Foto: La célula solar flexible de perovskita de Swift Solar. Créditos: Swift Solar

Foto: La célula solar flexible de perovskita de Swift Solar. Créditos: Swift Solar


 

Dado que la perovskita es flexible, semitransparente y ligera, también se puede intalar en sitios en los que los paneles solares rígidos y pesados no encajan, como ventanas, techos menos sólidos, superficies irregulares o incluso en vehículos en movimiento.

 

Swift Solar, una start-up afiliada al NREL que ha recaudado casi 6,2 millones de euros en los últimos meses, está considerando colocar células solares de dos capas de perovskita (cada una ajustada a una parte diferente del espectro) en drones y vehículos eléctricos para ampliar su autonomía, según explica su CEO, Joel Jean. Una célula de ese tipo podría ser altamente eficiente, así como más flexible y liviana que una capa gruesa de silicio.

 

Nuevos usos para la energía solar
En su libro Taming the Sun, el director de Tecnología de ReNew Power, Varun Sivaram, argumenta que las nuevas tecnologías solares como las perovskitas pueden resultar claves para descartar por fin los combustibles fósiles. Pero, ¿por qué necesitamos energía solar aún más barata si los paneles de silicio ya pueden competir, por ejemplo, con una central de carbón?

 

Uno de los mayores problemas con la energía solar es que una vez que empieza a aportar una parte importante al mix de la electricidad de una red, el valor adicional del siguiente panel o planta disminuye bruscamente. Esto se debe a que, por la noche, las granjas solares no generan electricidad, por lo que el resto del sistema debe ser capaz de satisfacer la demanda total. Pero en los días soleados, los paneles pueden generar más electricidad de la que el sistema es capaz de usar o almacenar. Eso ya sucede en regiones con mucha energía solar, como Alemania y China.

 

Los operadores de red suelen tener que obligar a los parques solares a reducir su producción, a menudo llevando los precios a cero o incluso más abajo. Eso puede rebajar los beneficios de las centrales solares y eliminar los incentivos económicos para construir más y continuar reduciendo el uso de combustibles fósiles.

 

En un estudio publicado en Nature Energy en 2016, Sivaram y el actual director general de la empresa Energy Impact Partners, Shayle Kann, calcularon que para preservar los incentivos económicos para seguir construyendo más fábricas, el coste del desarrollo de la energía solar debería reducirse a unos 22 céntimos por vatio. El coste total de los sistemas comerciales más baratos es de 0,95 euros por vatio, según el último informe del NREL.

 

Gran parte del coste se debe al alto precio de instalación y cableado del voluminoso hardware. Por lo tanto, para reducir ese precio no solo harán falta células fotovoltaicas baratas sino también más ligeras y flexibles para que resulten más fáciles de usar. La perovskita es el material más prometedor para ese tipo de avance hoy en día, opina Sivaram.

 

La electricidad solar barata también podría reducir el coste de la desalinización de agua marina, por ejemplo, de los árboles artificiales que pueden extraer dióxido de carbono de la atmósfera y de las plantas de electrólisis capaces de convertir el excedente de energía en combustible de hidrógeno. Para Sivaram, ente enfoque “abre todo un nuevo abanico de aplicaciones en las que nunca habíamos pensado”.

 

El problema de la vida útil
La cuestión más difícil con las perovskitas es su durabilidad. El aumento de eficiencia no importa mucho si el material dura solo unos meses o como mucho unos años. Pero, de momento, la perovskita tiende a degradarse rápidamente cuando se expone a la luz ultravioleta y la humedad.

 

Se trata de un gran problema para un material que debería estar expuesto al sol durante varias décadas. Y si las compañías instalan paneles de perovskita que terminan fallando demasiado pronto, eso acabará con la reputación del material incluso aunque luego se creen versiones más duraderas.

 

Foto: Un trabajador de Oxford PV examina las células solares en tándem de silicio con perovskita de tamaño comercial. Créditos: Oxford PV


 

Por ahora, el plan de negocio de Oxford PV dependerá de si su célula de silicio y perovskita funciona de forma parecida a un panel solar de silicio estándar. Para ello, la empaquetará en una carcasa de vidrio que ayudará a que dure más. Pero la empresa tuvo que trabajar duro en la estabilidad del material, empleando modelos informáticos y pruebas ágiles para identificar las composiciones más prometedoras entre aproximadamente medio millón de posibilidades. La receta de la compañía para la perovskita es exclusiva, y su CEO, Frank Averdung, es optimista. El responsable concluye: “Hemos resuelto el problema de la fiabilidad. Lo hemos conseguido, y por eso ahora podemos pasar a la producción”.

 
Fuente: technologyreview.es

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