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(Foco Nanowerk) La energía solar tiene un enorme potencial sin explotar como fuente de energía limpia y renovable. Pero a medida que los paneles de silicio se acercan a sus límites prácticos de eficiencia, los científicos han recurrido a las revolucionarias perovskitas de haluro de plomo como solución para el futuro.
Desde su introducción hace aproximadamente una década, las células solares de perovskita de haluro de plomo se han convertido rápidamente en una tecnología fotovoltaica revolucionaria. Gracias a sus excelentes capacidades de absorción de luz y transporte de carga, las células solares de perovskita ahora compiten con el silicio clásico, con eficiencias registradas que superan el umbral del 26 por ciento. Además, sus métodos de fabricación sencillos y rentables, como la impresión y la pulverización, ofrecen la oportunidad de hacer finalmente accesible la energía solar a las masas.
Esto representa una oportunidad para finalmente cumplir la promesa solar de larga data de energía limpia y renovable para todos.
Sin embargo, persisten preocupaciones sobre la toxicidad y la reciclabilidad del plomo. La exposición al plomo inestable puede plantear riesgos ambientales y para la salud, mientras que la estabilidad limitada limita la vida útil de los dispositivos de perovskita de plomo.
Las preocupaciones más apremiantes siguen siendo la toxicidad del plomo, que plantea riesgos ambientales y para la salud. La exposición inestable al plomo procedente del gas, el agua y el enriquecimiento del suelo podría tener consecuencias irreversibles si no se controla y recicla adecuadamente a medida que aumenta el uso de perovskita en todo el mundo.
También existen problemas de estabilidad que limitan la vida operativa de los propios dispositivos de perovskita de plomo. Los investigadores han intentado sustituir el plomo por estaño, un poco menos tóxico, pero hasta ahora las perovskitas a base de estaño siguen sufriendo la inestabilidad del aire. Sin avances en la estabilidad y la seguridad ambiental, la creciente tecnología solar de perovskita podría inundar nuestro flujo de desechos con materiales peligrosos.
Ahora, los científicos dirigidos por el Centro de Energía Solar Híbrida y Orgánica (CHOSE), Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tor Vergata de Roma, pueden haber encontrado una solución en un nuevo diseño de célula solar de perovskita sin plomo a base de antimonio.
Publicado en Cartas de Energía ACS (“Células y módulos solares inspirados en perovskita a base de antimonio, estables en el aire y sin plomo”), la investigación muestra que un material inspirado en perovskita (PIM) de cationes mixtos que mejora la eficiencia en comparación con las células solares tradicionales de antimonio y cesio aumentó en un 81%. y al mismo tiempo tiene una estabilidad insuperable.
«A diferencia de las inestables perovskitas a base de estaño, el PIM de antimonio retuvo el 90% de su eficiencia después de 1.800 horas en condiciones de aire ambiente», le dice a Nanowerk Jie Xu, autor principal del artículo. «Esta durabilidad nos permitió producir el primer módulo solar de perovskita sin plomo utilizando técnicas de estructuración láser estándar de la industria, un paso fundamental hacia la viabilidad comercial».
El antimonio es un metaloide de color blanco plateado que está adquiriendo cada vez más importancia como alternativa a la perovskita respetuosa con el medio ambiente. El antimonio tiene propiedades electrónicas similares al plomo, puede combinarse con haluros para formar una estructura cristalina similar a la perovskita y puede tener una toxicidad menor que el plomo, que debe analizarse desde diferentes ángulos (por ejemplo, toxicidad de elementos y compuestos derivados según diversas pruebas, compatibilidad medioambiental). huella, análisis del ciclo de vida, que también depende de la eficiencia y el rendimiento, etc.)
Los primeros dispositivos basados en antimonio mostraron potencial, pero carecían de la gran superficie y la estabilidad necesarias para su relevancia comercial. Pero al desarrollar una nueva composición de cloruro de triyoduro de antimonio y metilamonio de cationes mixtos, los investigadores lograron mejoras significativas en ambos frentes.
La célula solar optimizada logró una eficiencia del 1,53 %, un aumento del 81 % con respecto a los dispositivos de cesio puro; sin embargo, sigue siendo significativamente menor que la de las células solares de perovskita a base de plomo, cuya eficiencia ha mejorado rápidamente, alcanzando más del 26% en entornos de laboratorio. Las películas de antimonio superaron con creces los estándares de estabilidad y conservaron casi toda su eficacia incluso después de una exposición prolongada al aire y la humedad.
Según el profesor Thomas Brown, que dirigió este trabajo, estos hallazgos podrían posicionar al antimonio como un sucesor de las perovskitas tóxicas a base de plomo y de las alternativas inestables de estaño.
«Si bien aún se puede mejorar la eficiencia, la estabilidad de las celdas es la característica clave de los dispositivos PIM fabricados aquí», dijo Brown.
Con la ayuda de la durabilidad de la celda de antimonio, el equipo de Brown se convirtió en el primero en crear un módulo solar de perovskita sin plomo ni estaño utilizando patrones láser en el aire estándar de la industria, vaporizando capas no deseadas para aislar celdas individuales conectadas en serie.
Hasta ahora, la exposición prolongada al aire durante la estructuración provocaba una rápida descomposición de las películas de perovskita sin plomo, p. B. a base de estaño. Pero la robustez del PIM de antimonio hizo posible ajustar parámetros específicos del flujo del láser, y todos los pasos se realizaron en el aire ambiente.
El minimódulo de antimonio logró una eficiencia del 1,2% en un área de 2,52 cm2 zona activa, lo que demuestra la viabilidad del concepto.
La hoja de ruta del antimonio ofrece margen de optimización y refleja el desarrollo inicial de paneles solares de perovskita de plomo, cuya eficiencia ha aumentado del 5% a más del 20% en menos de una década. La estabilidad mejorada abre inmediatamente vías para la producción comercial.
«La fabricación exitosa con una celda integrada en serie totalmente estructurada con láser y una excelente estabilidad abre nuevas posibilidades para la producción a gran escala de energía fotovoltaica potencialmente más respetuosa con el medio ambiente», explica Xu.
Al mejorar la eficiencia y al mismo tiempo mantener la estabilidad (lo opuesto a los desafíos del estaño), las perovskitas de antimonio también podrían cerrar la brecha con los actuales paneles a base de plomo en términos de rendimiento. La investigación adicional se centrará en la física de los dispositivos y al mismo tiempo examinará la sostenibilidad real, teniendo en cuenta la reciclabilidad y el análisis del ciclo de vida.
Por ahora, la innovación del antimonio del equipo representa un paso prometedor hacia una energía solar económica sin compromisos tóxicos. Si la tecnología continúa por su camino actual, la estrella del antimonio en el sol podría estar amaneciendo.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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