Investigadores de la Universidad Técnica de Múnich han descubierto cómo estabilizar las células solares de perovskita, que son sensibles a cambios de temperatura, mejorando su rendimiento y durabilidad.
Las células solares de perovskita representan un avance significativo en la tecnología fotovoltaica. Estas células, compuestas por materiales cristalinos especiales, convierten la luz solar en electricidad de manera muy eficiente. Sin embargo, su sensibilidad a las fluctuaciones de temperatura ha limitado su implementación en techos. Investigadores de la Tecnológica Universidad de Múnich (TUM) y del Excellence Cluster e-conversion han identificado las razones detrás de la pérdida de rendimiento de estos prometedores materiales y han propuesto soluciones para estabilizarlos.
Las células solares de perovskita son vistas como una solución potencial para hacer que la energía solar sea más asequible y eficiente. En colaboración con el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), el DESY (Sincrotrón Alemán) y el KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo, el equipo ha desentrañado los mecanismos microscópicos que provocan el envejecimiento del material debido a las variaciones térmicas. Su estrategia consiste en estabilizar la frágil estructura cristalina mediante "anclajes moleculares" especialmente diseñados.
“Para alcanzar los objetivos climáticos del futuro, es crucial que las células solares funcionen de manera confiable durante décadas”, afirma el profesor Peter Müller-Buschbaum, quien dirige el departamento de Materiales Funcionales en la TUM School of Natural Sciences y es miembro del Excellence Cluster e-conversion. Su equipo investiga las causas microscópicas del deterioro del material y ha desarrollado nuevas estrategias de diseño para mejorar la durabilidad de las capas superiores en células solares en tándem, que consisten en múltiples capas apiladas para optimizar la captación de luz solar.
En una investigación publicada en Nature Communications, el autor principal, Dr. Kun Sun, junto con su equipo, estudió las llamadas celdas de banda ancha altamente eficientes, que son las superiores en una célula solar en tándem. Utilizando mediciones de rayos X de alta resolución en DESY, observaron cómo el material “respira” durante cambios rápidos de temperatura, expandiéndose y contrayéndose según el perfil térmico.
La degradación se produce notablemente durante una fase inicial conocida como “Burn-in”, donde las celdas pueden perder hasta un 60% de su rendimiento relativo. “Demostramos que una especie de tira y afloja microscópico provoca esta pérdida”, explica Dr. Sun. “Se generan tensiones internas en el material que alteran su estructura, lo cual afecta su rendimiento”. Con este conocimiento, ingenieros tienen como objetivo interrumpir esta fase para lograr una estabilidad a largo plazo.
Para evitar que el material se descomponga bajo condiciones adversas, los investigadores han desarrollado métodos utilizando moléculas orgánicas específicas que actúan como separadores y mantienen la estructura unida como un andamiaje molecular. Al comparar diferentes tipos de separadores, encontraron que el compuesto orgánico voluminoso PDMA resultó ser el más efectivo: se logró crear una célula solar notablemente más robusta que se mantiene estable incluso bajo estrés mecánico por rápidas variaciones térmicas.
"El futuro de la fotovoltaica es sin duda en tándem", sostiene Prof. Müller-Buschbaum. “Al comprender los mecanismos microscópicos involucrados, estamos allanando el camino hacia una nueva generación de módulos solares que sean tanto altamente eficientes como suficientemente robustos para soportar décadas al aire libre”.