Hace cinco años, un nuevo material fotovoltaico hizo una entrada discreta en la escena de la energía solar: el metilamonio de triyoduro de plomo, que pertenece a la familia de cristales conocidos como perovskitas. Una celda solar hecha de este material convirtió la luz en electricidad con una eficiencia de tan solo 3.8 por ciento, algo poco probable que pudiese resolver los problemas energéticos del mundo entonces.
Ahora en el 2014 las perovskitas se están disparando por encima de lo que cualquiera habría esperado. En el encuentro de la Sociedad de Investigación en Materiales en abril, el científico de materiales Yang Yang en la Universidad de California, Los Ángeles, reveló que en su laboratorio habían hecho una celda de perovskita con una eficiencia de 19.3 por ciento, lo suficiente como para competir con algunas celdas solares comerciales de silicio cristalino, que generalmente registran una eficiencia entre 17 y 24 por ciento.
“No conozco ningún grupo que trabaje en fotovoltaicos y que no esté mirando hacia las perovskitas”, dice Henry Snaith, físico de la Universidad de Oxford, en Londres, quien es uno de los líderes en la materia.
El rápido aumento de las perovskitas no tiene precedentes en la investigación solar fotovoltaica, en donde las eficiencias generalmente avanzan a paso lento a lo largo de décadas. Estos nuevos materiales están a punto de salir del laboratorio: la compañía filial de Snaith, Oxford Photovoltaics, espera tener celdas disponibles para comercializar en cuatro años.
Mientras tanto, los investigadores están convencidos de que todavía hay muchas posibilidades de mejora, y predicen que las celdas de perovskita superarán una eficiencia del 20 por ciento para finales del año. “Está muy candente, muy competitivo”, dice Mercouri Kanatzidis, un pionero de las perovskitas de la Universidad Northwestern, en Evanston, III. “El tema ha crecido a pasos agigantados”.
Los fabricantes de celdas solares enfrentan una disyuntiva difícil entre desempeño y costo. Las celdas solares más comerciales dependen de losas de silicio cristalino que tienen un grosor de más de 150 micrómetros y requieren de mucha energía para su producción. Las celdas solares de capa delgada, aquellas que contienen tan solo algunos micrómetros de semiconductores tales como el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), tienen materiales de menor costo, pero también son menos eficientes. Por otro lado, las celdas que utilizan arseniuro de galio pueden alcanzar un 30 por ciento de eficiencia, pero los materiales implicados son demasiado costosos para una energía solar a escala de servicio público.
Las perovskitas podrían resolver este dilema al combinar la producción de las celdas de silicio con un precio más bajo que el de las CIGS de capa delgada: sus ingredientes son químicos a granel de bajo costo y las celdas puede construirse usando técnicas de procesamiento simples y económicas.
Las perovskitas hicieron su debut en las celdas solares sensibilizadas por colorante. Cuando la luz es absorbida por un colorante en la celda, esta inyecta electrones excitados en un semiconductor como las nanopartículas de dióxido de titanio, las cuales conducen la carga y generan corriente. Las perovskitas fueron reemplazos atractivos de los colorantes porque absorben la luz de manera eficiente en un amplio espectro, pero los investigadores pronto se dieron cuenta que también eran excelentes transportadores de carga a su propio modo.
Desde entonces, Sang II Seok, en el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, en Daejeon, ha refinado la reacción química que forma la capa de perovskita para arreglar los defectos de su estructura, lo que le dio a sus celdas una eficiencia de 17.9 por ciento. Y aunque Yang se negó a discutir sobre los detalles técnicos de su celda de 19.3 por ciento (que está pendiente por publicarse) otros investigadores dicen que remover los defectos también era fundamental para su éxito. Avances adicionales en el desempeño podrían venir de la composición química cambiante de las perovskitas para ampliar el espectro de absorción del material. “El progreso ha sido muy rápido”, dice Seok.
Sin embargo, existen preocupaciones persistentes de que un uso generalizado de celdas basadas en plomo podría plantear problemas ambientales, lo que haría que los inversores estuvieran precavidos de esta tecnología. Snaith señala que las emisiones anuales de plomo durante la fabricación de estas celdas solares es 10 veces mayores que la cantidad de plomo que sería necesaria para producir un 1 teravatio de electricidad en una celda solar de perovskita, pero él reconoce que “sería mejor tener materiales completamente no tóxicos”.
En mayo, Snaith y Kanatzidis informaron, de manera independiente, una posible solución: perovskitas de estaño con eficiencias del 6 por ciento. Aunque las perovskitas de estaño son mucho menos estables en el aire que sus equivalentes de plomo, ambos científicos están convencidos de que tienen potencial.
Mientras que la competencia en el laboratorio se hace cada vez más intensa, una carrera comercial se está calentando. Oxford Photovoltaics está a favor del plomo por ahora, pero “muchas otras compañías están empezando a mirar hacía esto”, dice Snaith.
Oxford está trabajando con fabricantes de vidrio para crear productos fotovoltaicos vidriados. Los vidrios cubiertos con perovskita de la compañía tienen un tinte gris y generan electricidad con eficiencias de 6 a 8 por ciento. “Eso es más que suficiente para satisfacer las expectativas de los constructores”, dice Chris Case, director técnico de Oxford. Sin embargo, cuesta cerca de un 10 por ciento más que el vidrio normal, y la electricidad debería pagar el costo de las ventanas dentro de 10 años. La compañía espera que las ventanas con perovskita se produzcan “en masa” para finales del 2017.
Oxford también está trabajando en productos de servicio público e investigando si las perovskitas podrían asociarse con las celdas solares de silicio convencionales. Los materiales absorben diferentes longitudes de onda de la luz y las perovskitas generan un voltaje mayor que el silicio, así que usarlos en conjunto incrementaría la potencia de salida de las celdas convencionales.
La compañía tiene un equipo de desarrollo de 24 personas, respaldado por 7 millones de libras de financiación. Con las eficiencias de las perovskitas aumentando mes a mes, Oxford ahora busca recaudar más dinero y expandirse. “No es una industria artesanal”, dice el director ejecutivo Kevin Arthur. “Nos estamos volviendo perfeccionistas en esto”.
