La revolució de les perovskites fotovoltaiques

La conversió de la llum solar en electricitat és un mètode ideal per aconseguir l’energia sostenible i barata que resulta necessària per a la nostra civilització. Aquesta energia es molt abundant i inexhaurible, però la seua utilització requereix de dispositius fotovoltaics, també anomenats cel•les solars, que ara com ara fan que el cost de la electricitat solar siga major que el d’altres fonts més contaminants. Encara que els panells de silici han baixat de preu notablement en els últims anys, la producció d’energia per a una població mundial creixent, i la necessitat d’abandonar els combustibles fòssils, requereixen altres solucions encara més efectives.

 

Durant els últims 20 anys s'ha intensificat la cerca de materials que permeten fer les cel•les solars amb processos de baix costs i elements abundants. Així arran de 1990 van sorgir les cel•les de colorant electrolítiques, associades al nom de Michael Grätzel, i les cel•les orgàniques, en les quals els components actius són materials semblants als plàstics. Estes investigacions han tingut un paper central en el camp de la nanotecnologia, i han impulsat el coneixement de les propietats de conversió de llum a electricitat de nous materials orgànics i de híbrids orgànic-inorgànic, mentre que els conversors tradicionals eren materials inorgànics com el silici. Tot i això, aquestes tecnologies no han estat capaces, fins ara, d’assolir el grau de maduresa necessari per a formar tecnologies viables en el mercat, sobretot per causa de rendiments de conversió massa baixos, així com interrogants sobre l’estabilitat a llarg termini que han limitat els estudis industrials.


En este ordre de coses, en l’any 2012 ha sorgit una solució radicalment nova, amb una estructura, anomenada perovskita, que acomoda tres àtoms-molècules diferents o més, amb la formula química ABX3. La perovskita que fins ara presenta millors propietats fotovoltaiques és intrínsecament una mescla orgànic-inorgànic, i exhibeix diverses característiques atractives per a assolir la conversió de llum a electricitat a baix cost. Cal destacar, que s´han aconseguit eficiències de conversió importants, superiors al 16%, en un temps molt breu. A més amb este tipus de materials es poden formar les capes primes fotovoltaiques a partir de dissolucions, amb rutes químiques de baixa temperatura, i no cal gastar processos d’alta temperatura que encareixen els mètodes de preparació en el cas de les cel•les solars inorgàniques.


Amb aquestes eficiències que ja superen algunes tecnologies establides, com el silici amorf, però que prometen rendiments més grans encara almenys del 20%, i la possibilitat de nous descobriments en rutes de preparació, no es gens estrany que la investigació en les perovskites fotovoltaiques estiga experimentant hores d'ara un boom espectacular al qual s`han incorporat centenars de grups d’investigació de tot el món. Actualment, les revistes científiques d’alt impacte donen la benvinguda als papers que porten la perovskita en el títol. L’oportunitat de bones publicacions, i de realitzar descobriments influents, ha fet que molt grups deixaren tot allò que estaven fent i s’apressen a participar en la carrera de les innovacions en les perovskites fotovoltaiques. Algunes línies de treball principals són la variació de composicions, particularment per a eliminar elements tòxics de l’estructura, i també per a trobar formulacions de rendiment superior, o modular el espectre d’absorció, l’estudi dels contactes, i l’estabilitat.


Per una altra banda, els resultats més recents mostren que aquests materials de perovskita híbrida presenten una sèrie de propietats fascinants que proposen un desafiament per a la seua comprensió científica, i que poden donar lloc a noves aplicacions en el futur. En este àmbit el Grup de Dispositius Fotovoltaics i Optoelectrònics (GDFO) de la Universitat Jaume I de Castelló, ha desenvolupat un intens treball investigador des de finals de 2012. En el passat, el GDFO ha adquirit un gran reconeixement internacional per la nostra capacitat de desentranyar el comportament electrònic de diversos tipus de dispositius fotovoltaics nanoestructurats, com les cel•les de Grätzel, les cel•les orgàniques, i també en aquelles basades en punts quàntics, on recentment hem contribuït amb un record mundial de rendiment, en col•laboració amb l’investigador xinès Xinhua Zhong.

 

Ara per ara sembla que la perovskita híbrida fotovoltaica és el problema més complex que hem trobat mai, ja que la riquesa de l’estructura provoca comportaments que no s’han observat anteriorment en cap tipus de cel•la solar. Aquests comportaments afecten els mecanismes d’emmagatzemament de càrrega elèctrica dins de l’estructura, i també la commutació entre la conversió de fotons a electrons, i a l'inrevés, de manera que la perovskita pot donar un rendiment alt de conversió de electricitat a llum per formar dispositius d’il•luminació. El GDFO ja ha realitzat diverses contribucions pioneres en aquest camp, hem reportat els mecanismes de transport i acumulació de càrrega principals, i hem contribuït en la formació de noves configuracions de contactes, incloent una versió molt efectiva que utilitza el grafé com a contacte d’electrons. Però el treball continua de manera intensa, ja que és un moment bonic de generació de noves idees en un camp molt innovador i original, amb oportunitats que es presenten molt de tant en tant, i que cal aprofitar.

 

Iván Mora-Seró i Juan Bisquert
Grup de Dispositius Fotovoltaics i Optoelectrònics
Departament de Física, Universitat Jaume I
 




Red de Universidades Valencianas para el fomento de la I+D+i (RUVID) - C/ Serpis 29 - Edificio INTRAS - 2ª planta - 46022 - Valencia - España
Teléfono: +34 9616 254 61 - Correo Electrónico: comunicacion @ ruvid.org - Web: www.ruvid.org - Código ISSN: 1988-8155 - Política Protección de Datos