Font: utoronto.ca
Un equip d'investigadors de la Facultat de Ciències i Enginyeria Aplicades de la Universitat de Toronto ha aprofitat la mecànica quàntica per optimitzar la capa activa d'un dispositiu conegut com a cèl·lula solar de perovskita invertida, una tecnologia que algun dia podria donar lloc al mercat massiu- cèl·lules solars que una fracció de les que hi ha actualment al mercat.
En l'actualitat, pràcticament totes les cèl·lules solars comercials estan fetes de silici d'alta-puresa, que requereix una gran quantitat d'energia per produir-se. Però investigadors d'arreu del món estan experimentant amb tecnologies solars alternatives que es podrien fabricar i instal·lar amb menys energia i a menor cost.
Una d'aquestes alternatives, que s'està estudiant ael laboratori del Grup Sargent, es coneix com perovskita. El poder dels materials de perovskita prové de la seva estructura cristal·lina única, que els permet absorbir la llum en una capa molt fina i convertir-la en electricitat de manera eficient.
"Els cristalls de perovskita estan fets d'una tinta líquida i es recobreixen sobre superfícies mitjançant una tecnologia que ja està-ben establerta a la indústria, com la impressió de bobina-a-", diu Hao Chen, un investigador post-doctoral al laboratori de Sargent i un dels quatre co-autors principals deun nou article publicat a Nature Photonics.
"A causa d'això, les cèl·lules solars de perovskita tenen el potencial de produir-se en massa a un cost energètic molt més baix que el silici. El repte és que ara mateix les cèl·lules solars de perovskita es queden en estabilitat de les cèl·lules de silici tradicionals. En aquest estudi, preteníem tancar aquesta bretxa. "
Chen, juntament amb els seus co-autors principals, el candidat a doctorat Sam Teale i els investigadors post-doctorals Bin Chen i Yi Hou, estan utilitzant una estratègia basada en una estructura de cèl·lules solars invertida.
A la majoria de cèl·lules solars de perovskita prototip, els electrons surten a través d'un elèctrode negatiu a la capa inferior de la cèl·lula, amb els "forats" que deixen enrere surten per un elèctrode positiu a la part superior.
Invertir aquesta disposició permet l'ús de tècniques de fabricació alternatives i investigacions anteriors han demostrat que aquestes poden millorar l'estabilitat de la capa de perovskita. Però el canvi té un cost en termes de rendiment.
"És difícil aconseguir un bon contacte entre la capa de perovskita i l'elèctrode superior", diu Chen. "Per resoldre això, els investigadors solen inserir una capa de passivació feta de molècules orgàniques. Això funciona molt bé en l'orientació tradicional, perquè els 'forats' poden passar directament a través d'aquesta capa de passivació. Però els electrons estan bloquejats per aquesta capa, de manera que quan inverteixes el la cèl·lula es converteix en un gran problema".
L'equip va superar aquesta limitació aprofitant la mecànica quàntica: el principi físic que estableix que el comportament dels materials a escales de longitud molt reduïdes és diferent del que s'observa a les més grans.
"En el nostre prototip de cèl·lules solars, les perovskites es limiten a una capa extremadament fina: només d'un a tres cristalls d'alçada", diu Teale. "Aquesta forma bi-dimensional ens permet accedir a propietats associades a la mecànica quàntica. Podem controlar, per exemple, quines longituds d'ona de llum absorbeixen les perovskites o com es mouen els electrons dins de la capa".
L'equip va utilitzar per primera vegada una tècnica química establerta per altres grups per produir una superfície de perovskita de dues -dimensionals sobre la seva cèl·lula solar. Això va permetre que la capa de perovskita assoleixi la passivació per si sola, eliminant per complet la necessitat de la capa orgànica.
Per superar l'efecte de bloqueig d'electrons, l'equip va augmentar el gruix de la capa de perovskita d'un cristall d'alçada a tres. Les simulacions per ordinador havien demostrat que aquest canvi alteraria el paisatge energètic prou per permetre que els electrons s'escapessin a un circuit extern, una predicció que es va confirmar al laboratori.
L'eficiència de conversió d'energia de les cèl·lules de l'equip es va mesurar al 23,9%, un nivell que no es va esvair després d'1,000 hores de funcionament a temperatura ambient. Fins i tot quan es va sotmetre a un procés d'envelliment accelerat-estàndard de la indústria a temperatures de fins a 65 ºC, el rendiment només va disminuir un vuit per cent després de més de 500 hores d'ús.
El treball futur se centrarà a augmentar encara més l'estabilitat de les cèl·lules, fins i tot sota temperatures encara més altes. L'equip també voldria construir cèl·lules amb una superfície més gran, ja que les cel·les actuals només tenen una mida d'uns cinc mil·límetres quadrats.
Tot i així, els resultats actuals són un bon auguri per al futur d'aquesta tecnologia solar alternativa.
"Al nostre article, comparem els nostres prototips amb cèl·lules solars de perovskita tradicionals i invertides que s'han publicat recentment a la literatura científica", diu Teale.
"La combinació d'alta estabilitat i alta eficiència que hem aconseguit realment destaca. També hem de tenir en compte que la tecnologia perovskita només té un parell de dècades, mentre que el silici s'ha treballat durant 70 anys. Encara hi ha moltes millores per vine".