Una celda solar Direct wafer 6 x 6 en las instalaciones de CubicPV en Bedford, MA, el 5 de agosto de 2021.
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En 1839, el científico alemán Gustav Rose fue a explorar los Montes Urales y descubrió un mineral oscuro y brillante. Llamó al titanato de calcio «perovskita» en honor al mineralogista ruso Lev Perovski. El mineral fue uno de los muchos que Rose identificó para la ciencia, pero casi dos siglos después, los materiales que comparten la estructura cristalina de la perovskita podrían transformar la energía sostenible y la carrera contra el cambio climático al aumentar significativamente la eficiencia de los paneles solares comerciales.
Los paneles solares representaron casi el 5% de la producción de energía de EE. UU. el año pasado, casi 11 veces más que hace 10 años y suficiente para alimentar a unos 25 millones de hogares. También es la fuente de nueva energía de más rápido crecimiento, ya que representa el 50% de toda la nueva generación de electricidad agregada en 2022. Pero casi todos los módulos solares que se utilizan en la generación de energía hoy en día consisten en paneles convencionales a base de silicio fabricados en China. una tecnología que ha cambiado poco desde que se descubrieron las células de silicio en la década de 1950.
Otros materiales utilizados, como el arseniuro de galio, el seleniuro de cobre, indio y galio y el telururo de cadmio, este último clave para la compañía solar más grande de EE. UU. primer solarEl crecimiento de ‘s — puede ser muy costoso o tóxico. Los partidarios de las células solares basadas en perovskita dicen que pueden superar al silicio en al menos dos formas y acelerar los esfuerzos en la carrera para combatir el cambio climático. Justo esta semana, First Solar anunció la adquisición del jugador europeo de tecnología de perovskita Evolar.
Los límites de silicio de las células solares.
Las células fotovoltaicas convierten los fotones de la luz solar en electricidad. Pero no todos los fotones son iguales. Tienen diferentes cantidades de energía y corresponden a diferentes longitudes de onda en el espectro solar. Las células hechas de perovskitas, que se refieren a varios materiales con estructuras cristalinas que se asemejan a las del mineral, tienen un coeficiente de absorción más alto, lo que significa que pueden captar una gama más amplia de energías de fotones en el espectro de la luz solar para entregar más energía. Mientras que las celdas de silicio comerciales estándar tienen eficiencias de alrededor del 21 %, las celdas de perovskita de laboratorio tienen eficiencias de hasta el 25,7 % para las que se basan solo en perovskita, y hasta el 31,25 % para las que se combinan con silicio en una celda en tándem. Mientras tanto, incluso cuando las eficiencias del silicio han aumentado, las celdas de unión única enfrentan una barrera de eficiencia máxima teórica del 29 %, conocida como el límite de Shockley-Queisser; su límite práctico es tan bajo como 24%.
Además, las células de perovskita pueden ser más sostenibles de producir que las de silicio. Se necesita calor intenso y grandes cantidades de energía para eliminar las impurezas del silicio, y eso produce muchas emisiones de carbono. También tiene que ser relativamente grueso para trabajar. Las células de perovskita son muy delgadas (menos de 1 micrómetro) y se pueden pintar o rociar sobre superficies, lo que las hace relativamente baratas de producir. Un análisis de la Universidad de Stanford de 2020 de un método de producción experimental estimó que los módulos de perovskita podrían fabricarse por solo 25 centavos por pie cuadrado, en comparación con alrededor de $ 2,50 por el equivalente de silicio.
«Las industrias establecerán líneas de producción en fábricas para la comercialización de sus células solares antes de 2025″, dice Tsutomu Miyasaka, profesor de ingeniería de la Universidad Toin de Yokohama, quien informó sobre la creación de la primera célula solar de perovskita en 2009. paneles, sino también dispositivos de energía IoT para interiores, que serán un gran mercado para los dispositivos fotovoltaicos de perovskita porque pueden funcionar incluso con poca iluminación».
Respaldo a la tecnología climática de última generación
Empresas de todo el mundo están comenzando a comercializar paneles de perovskita. CubicPV, con sede en Massachusetts y Texas, ha estado desarrollando módulos tándem desde 2019, y sus patrocinadores incluyen a Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates. La compañía dice que sus módulos están formados por una capa inferior de silicio y una capa superior de perovskita y su eficiencia alcanzará el 30%. Su ventaja, según el CEO Frank van Mierlo, es la química de perovskita de la compañía y su método de fabricación de bajo costo para la capa de silicio que hace que el enfoque en tándem sea económico.
El mes pasado, el Departamento de Energía anunció que CubicPV será el principal participante de la industria en un nuevo centro de investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts que aprovechará la automatización y la IA para optimizar la producción de paneles en tándem. Mientras tanto, CubicPV está listo para decidir la ubicación de una nueva planta de obleas de silicio de 10 GW en los EE. UU., un movimiento que, según dice, acelerará el desarrollo en tándem.
«Tandem extrae más energía del sol, lo que hace que cada instalación solar sea más poderosa y acelera la capacidad del mundo para frenar los peores impactos del cambio climático», dijo Van Mierlo. «Creemos que en la próxima década, toda la industria cambiará a tándem».
En Europa, Oxford PV también planea comenzar a fabricar módulos tándem. Una escisión de la Universidad de Oxford, reclama una eficiencia del 28 % para los tándems y dice que está desarrollando una celda de varias capas con una eficiencia del 37 %. La compañía está construyendo una fábrica de células solares en Brandeburgo, Alemania, pero se ha retrasado por la pandemia de coronavirus y los inconvenientes de la cadena de suministro. Aún así, la startup, fundada en 2010 y respaldada por la compañía energética noruega Equinor, el fabricante chino de turbinas eólicas Goldwind y el Banco Europeo de Inversiones, tiene la esperanza de poder comenzar los envíos este año en espera de la certificación regulatoria. Inicialmente, la tecnología tendría un precio más alto que las celdas de silicio convencionales porque el tándem ofrece una mayor densidad de energía, pero la compañía dice que la economía es favorable durante toda la vida útil del uso.
Muchos advenedizos solares a lo largo de los años han intentado romper la cuota de mercado de China y los paneles de silicio convencionales, como Solyndra, ahora notoriamente en bancarrota, que usaba seleniuro de cobre, indio y galio. El enfoque de película delgada de telururo de cadmio de First Solar sobrevivió a una sacudida solar de una década debido a su equilibrio entre el bajo costo en relación con el silicio cristalino y la eficiencia. Pero ahora también ve a las celdas en tándem como una clave para el futuro de la industria solar.
«La perovskita es un material disruptivo que no altera el modelo comercial: la capacidad arraigada de fabricación basada en silicio», dice Chris Case, CTO de Oxford PV. «Nuestro producto será mejor para producir energía de menor costo que cualquier tecnología solar de la competencia».
La planta de fabricación de Brandeburgo, Alemania, de Oxford PV, una escisión de la Universidad de Oxford, que afirma tener una eficiencia del 28 % para sus células solares en tándem y dice que está desarrollando una célula multicapa con una eficiencia del 37 %.
Oxford fotovoltaica
Caelux, una escisión del Instituto de Tecnología de California, también se centra en la comercialización de células en tándem. Con el respaldo de VC Vinod Khosla y el conglomerado indio de energía, telecomunicaciones y comercio minorista Reliance Industries, Caelux quiere trabajar con las empresas de módulos de silicio existentes agregando una capa de vidrio de perovskita a los módulos convencionales para aumentar la eficiencia en un 30 % o más.
Preguntas sobre el rendimiento fuera del laboratorio
Las perovskitas enfrentan desafíos en términos de costo, durabilidad e impacto ambiental antes de que puedan hacer mella en el mercado. Una de las versiones de mejor rendimiento es la perovskita de haluro de plomo, pero los investigadores están tratando de formular otras composiciones para evitar la toxicidad del plomo.
Martin Green, investigador de células solares de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia, cree que las células tándem basadas en silicio serán el próximo gran paso adelante en la tecnología solar. Pero advierte que no se sabe que funcionen lo suficientemente bien fuera del laboratorio. Los materiales de perovskita pueden degradarse cuando se exponen a la humedad, un problema con el que los investigadores han logrado cierto éxito.
«La gran pregunta es si las células en tándem de perovskita/silicio alguna vez tendrán la estabilidad requerida para ser comercialmente viables», dijo Green, quien dirige el Centro Australiano de Fotovoltaica Avanzada. «Aunque se ha avanzado desde que se informaron las primeras células de perovskita, los únicos datos de campo publicados para tales células en tándem con eficiencia competitiva sugieren que solo sobrevivirían unos meses al aire libre, incluso cuando se encapsulan cuidadosamente».
En una prueba de campo reciente, las celdas en tándem se probaron durante más de un año en Arabia Saudita y se descubrió que retenían más del 80 % de una eficiencia de conversión inicial del 21,6 %. Por su parte, Oxford PV dice que sus células solares están diseñadas para cumplir con la expectativa de vida útil estándar de 25 a 30 años cuando se ensamblan en módulos fotovoltaicos estándar. Dice que sus módulos tándem de demostración pasaron pruebas de estrés aceleradas clave de la industria para predecir la vida útil de los módulos solares.
Los experimentos de perovskita en la construcción de Japón
En Japón, las grandes extensiones de tierra planas que pueden albergar megaproyectos solares son difíciles de encontrar debido al terreno montañoso del archipiélago. Esa es una de las razones por las que las empresas están desarrollando paneles de perovskita delgados y versátiles para usar en paredes y otras partes de los edificios. A principios de este año, Sekisui Chemical y NTT Data instalaron celdas de perovskita en el exterior de edificios en Tokio y Osaka para probar su rendimiento durante un año. Mientras tanto, el fabricante de productos electrónicos Panasonic creó una impresora de inyección de tinta que puede producir células de perovskita de película delgada en varios tamaños, formas y opacidades, lo que significa que se pueden usar en vidrio normal instalado en ventanas, paredes, balcones y otras superficies.
«La generación y el consumo de energía en el sitio serán muy beneficiosos para la sociedad», dice Yukihiro Kaneko, gerente general del Centro de tecnología de materiales aplicados de Panasonic. «Para que Japón logre su objetivo de descarbonización, necesitaría construir 1300 megaproyectos solares del tamaño de un estadio de béisbol cada año. Es por eso que creemos que lo mejor es construir energía solar en ventanas y paredes».
Exhibida en CES 2023, la celda de solo perovskita de 30 cm cuadrados de Panasonic tiene una eficiencia del 17,9 %, la más alta del mundo, según una clasificación del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. El fabricante recibirá un impulso de las regulaciones, como el requisito recientemente anunciado de que todos los nuevos proyectos de vivienda en Tokio tengan paneles solares a partir de 2025. Panasonic dice que apunta a comercializar sus células de perovskita en los próximos cinco años.
El inventor de las células de perovskita, Miyasaka, cree que la generación de energía basada en perovskita representará más de la mitad del mercado de células solares en 2030, no reemplazando al silicio, sino a través de nuevas aplicaciones, como la construcción de paredes y ventanas.
«El rápido progreso en la eficiencia de conversión de energía fue un resultado sorprendente y realmente inesperado para mí», dijo Miyasaka. «En resumen, esta será una gran contribución para lograr una sociedad sostenible autosuficiente».