Font: news.mit.edu
Les perovskites prometen crear panells solars que es podrien dipositar fàcilment a la majoria de superfícies, incloses les flexibles i amb textura. Aquests materials també serien lleugers, barats de produir i tan eficients com els principals materials fotovoltaics actuals, que són principalment silici. Són objecte d'augment de la investigació i la inversió, però les empreses que busquen aprofitar el seu potencial han d'abordar alguns obstacles restants abans que les cèl·lules solars basades en perovskita puguin ser comercialment competitives.
El terme perovskita no es refereix a un material específic, com el silici o el telurur de cadmi, altres principals contendents en l'àmbit fotovoltaic, sinó a tota una família de compostos. La família de materials solars perovskite rep el nom de la seva similitud estructural amb un mineral anomenat perovskita, que es va descobrir el 1839 i va rebre el nom del mineralogista rus LA Perovski.
La perovskita mineral original, que és l'òxid de calci de titani (CaTiO3), té una configuració de cristall distintiva. Té una estructura de tres parts, els components de la qual s'han passat a etiquetar A, B i X, en la qual s'entrellacen les reticules dels diferents components. La família de les perovskites està formada per les moltes combinacions possibles d'elements o molècules que poden ocupar cadascun dels tres components i formar una estructura semblant a la de la pròpia perovskita original. (Alguns investigadors fins i tot dobleguen una mica les regles anomenant altres estructures cristal·lines amb elements similars "perovskites", tot i que això està mal vist pels cristal·lògrafs).
"Podeu barrejar i combinar àtoms i molècules a l'estructura, amb alguns límits. Per exemple, si intenteu introduir una molècula que és massa gran a l'estructura, la distorsionareu. Finalment, podríeu fer que el cristall 3D es separi en una estructura en capes 2D, o perdre l'estructura ordenada completament", diu Tonio Buonassisi, professor d'enginyeria mecànica al MIT i director del Laboratori de Recerca Fotovoltaica. "Les perovskites són molt ajustables, com un tipus d'estructura de cristall per construir la teva pròpia aventura", diu.
Aquesta estructura de gelosies entrellaçades està formada per ions o molècules carregades, dos d'ells (A i B) carregats positivament i l'altre (X) carregat negativament. Els ions A i B solen ser de mides força diferents, sent l'A més gran.
Dins de la categoria general de perovskites, hi ha una sèrie de tipus, incloses les perovskites d'òxid metàl·lic, que han trobat aplicacions en catàlisi i en emmagatzematge i conversió d'energia, com ara piles de combustible i bateries metall-aire. Però un focus principal de l'activitat de recerca durant més d'una dècada ha estat en les perovskites d'halogenur de plom, segons diu Buonassisi.
Dins d'aquesta categoria, encara hi ha una legió de possibilitats, i els laboratoris d'arreu del món s'estan cursant amb el tediós treball d'intentar trobar les variacions que mostrin el millor rendiment en eficiència, cost i durabilitat, que fins ara ha estat el més desafiant. dels tres.
Molts equips també s'han centrat en les variacions que eliminen l'ús de plom, per evitar el seu impacte ambiental. Buonassisi assenyala, però, que "consistentment al llarg del temps, els dispositius basats en plom continuen millorant en el seu rendiment, i cap de les altres composicions es va apropar en termes de rendiment electrònic". Es continua treballant per explorar alternatives, però de moment cap pot competir amb les versions d'halogenur de plom.
Un dels grans avantatges que ofereixen les perovskites és la seva gran tolerància als defectes de l'estructura, diu. A diferència del silici, que requereix una puresa extremadament alta per funcionar bé en dispositius electrònics, les perovskites poden funcionar bé fins i tot amb nombroses imperfeccions i impureses.
Cercar noves composicions candidates prometedores per a perovskites és una mica com buscar una agulla en un paller, però recentment els investigadors han creat un sistema d'aprenentatge automàtic que pot racionalitzar molt aquest procés. Aquest nou enfocament podria conduir a un desenvolupament molt més ràpid de noves alternatives, diu Buonassisi, que va ser coautor d'aquesta investigació.
Tot i que les perovskites continuen mostrant una gran promesa i diverses empreses ja s'estan preparant per començar una mica de producció comercial, la durabilitat segueix sent el major obstacle que s'enfronten. Mentre que els panells solars de silici retenen fins al 90 per cent de la seva potència després de 25 anys, les perovskites es degraden molt més ràpidament. S'ha fet un gran progrés: les mostres inicials van durar només unes poques hores, després setmanes o mesos, però les formulacions més noves tenen una vida útil de fins a uns quants anys, adequades per a algunes aplicacions on la longevitat no és essencial.
Des d'una perspectiva de recerca, diu Buonassisi, un avantatge de les perovskites és que són relativament fàcils de fer al laboratori: els components químics s'assemblen fàcilment. Però aquest també és el seu inconvenient: "El material s'uneix molt fàcilment a temperatura ambient", diu, "però també es desmunta molt fàcilment a temperatura ambient. Fàcil de venir, fàcil d'anar!"
Per fer front a aquest problema, la majoria dels investigadors se centren a utilitzar diversos tipus de materials protectors per encapsular la perovskita, protegint-la de l'exposició a l'aire i la humitat. Però d'altres estan estudiant els mecanismes exactes que condueixen a aquesta degradació, amb l'esperança de trobar formulacions o tractaments que siguin inherentment més robusts. Una de les conclusions clau és que un procés anomenat autocatàlisi és en gran part el culpable de la ruptura.
En l'autocatàlisi, tan bon punt una part del material comença a degradar-se, els seus productes de reacció actuen com a catalitzadors per començar a degradar les parts veïnes de l'estructura, i s'inicia una reacció desbocada. Un problema similar va existir en les primeres investigacions sobre alguns altres materials electrònics, com els díodes emissors de llum orgànics (OLED), i finalment es va resoldre afegint passos de purificació addicionals a les matèries primeres, de manera que es pot trobar una solució similar en el cas de perovskites, suggereix Buonassisi.
Buonassisi i els seus co-investigadors van completar recentment un estudi que demostra que una vegada que les perovskites arriben a una vida útil d'almenys una dècada, gràcies al seu cost inicial molt més baix, seria suficient per fer-les viables econòmicament com a substitut del silici en grans dimensions d'utilitat. granges solars a escala.
En general, el progrés en el desenvolupament de perovskites ha estat impressionant i encoratjador, diu. Amb només uns quants anys de treball, ja ha assolit eficiències comparables als nivells que el tel·lurur de cadmi (CdTe), "que porta molt més temps, encara està lluitant per aconseguir", diu. "La facilitat amb què s'aconsegueixen aquestes prestacions més altes en aquest nou material és gairebé estupefacta". En comparar la quantitat de temps de recerca invertit per aconseguir una millora de l'1 per cent de l'eficiència, diu, el progrés de les perovskites ha estat entre 100 i 1, 000 vegades més ràpid que el de CdTe. "Aquesta és una de les raons per les quals és tan emocionant", diu.
