Una clase de materiales llamados perovskitas ha surgido como una alternativa prometedora al silicio para fabricar células solares económicas y eficientes. Pero a pesar de su promesa, las perovskitas no están exentas de inconvenientes. La mayoría contiene plomo, que es altamente tóxico e incluye materiales orgánicosque no son particularmente estables cuando se exponen al medio ambiente.
Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Brown y la Universidad de Nebraska - Lincoln UNL ha presentado un nuevo material a base de titanio para fabricar células solares de perovskita inorgánicas sin plomo. En un artículo publicado en la revista julio una nueva revista hermana centrada en la energía de Cell, los investigadores muestran que el material puede ser un buen candidato, especialmente para hacer células solares en tándem, disposiciones en las que se colocan células de perovskita sobre silicio u otro material establecidopara aumentar la eficiencia general.
"El titanio es un elemento abundante, robusto y biocompatible que, hasta ahora, se ha pasado por alto en gran medida en la investigación de perovskita", dijo el autor principal del nuevo artículo, Nitin Padture, profesor de la Universidad Otis E. Randall en la Escuela de Ingeniería de Browny director del Instituto de Innovación Molecular y Nanoescala. "Demostramos que es posible usar material a base de titanio para hacer perovskitas de película delgada y que el material tiene propiedades favorables para aplicaciones solares que se pueden ajustar".
El interés en las perovskitas, una clase de materiales con una estructura cristalina particular, para la energía limpia surgió en 2009, cuando se demostró que podían convertir la luz solar en electricidad. Las primeras células solares de perovskita tenían una eficiencia de conversión de solo alrededor del 4 por ciento, pero eso se ha disparado rápidamente a cerca del 23 por ciento, lo que rivaliza con las células de silicio tradicionales. Y las perovskitas ofrecen algunas ventajas intrigantes. Son potencialmente más baratas de fabricar que las células de silicio, y pueden ser parcialmente transparentes, permitiendo nuevas tecnologías como ventanas que generan electricidad.
"Una de las grandes iniciativas en la investigación de perovskita es alejarse de los materiales a base de plomo y encontrar nuevos materiales que no sean tóxicos y sean más estables", dijo Padture. "Utilizando simulaciones por computadora, nuestros colaboradores teóricos en UNL predijeron que unLa clase de perovskitas con cesio, titanio y un componente halógeno bromo y / y yodo fue un buen candidato. El siguiente paso fue hacer una célula solar usando ese material y probar sus propiedades, y eso es lo que hemos hecho aquí."
El equipo realizó películas de perovskita semitransparentes que tenían una banda prohibida, una medida del nivel de energía de los fotones que el material puede absorber, de 1,8 voltios de electrones, lo que se considera ideal para aplicaciones solares en tándem. El material tuvo una conversiónEficiencia del 3,3 por ciento, que está muy por debajo de la de las células basadas en plomo, pero un buen comienzo para un material completamente nuevo, dicen los investigadores.
"Hay mucha ingeniería que puedes hacer para mejorar la eficiencia", dijo Yuanyuan Zhou, profesor asistente de investigación de ingeniería en Brown y coautor del estudio. "Creemos que este material tiene mucho espacio para mejorar".
Min Chen, estudiante de doctorado en ciencias de los materiales en Brown y primer autor del artículo, utilizó un método de evaporación a alta temperatura para preparar las películas, pero dice que el equipo está investigando métodos alternativos ". También estamos buscandopara nuevos métodos a baja temperatura y basados en solventes para reducir el costo potencial de la fabricación de células ", dijo.
La investigación mostró que el material tiene varias ventajas sobre otras alternativas de perovskita sin plomo. Un competidor para una perovskita sin plomo es un material hecho principalmente de estaño, que se oxida fácilmente cuando se expone al medio ambiente. El titanio, por otro lado, esresistente a la corrosión. La perovskita de titanio también tiene un voltaje de circuito abierto una medida del voltaje total disponible de una célula solar de más de un voltio. Otras perovskitas sin plomo generalmente producen un voltaje menor a 0.6 voltios.
"El voltaje de circuito abierto es una propiedad clave que podemos usar para evaluar el potencial de un material de células solares", dijo Padture. "Entonces, tener un valor tan alto desde el principio es muy prometedor".
Los investigadores dicen que el intervalo de banda relativamente grande del material en comparación con el silicio lo convierte en un candidato ideal para servir como la capa superior en una célula solar en tándem. La capa superior de titanio-perovskita absorbería los fotones de mayor energía del sol que el silicio inferiorla capa no puede absorber debido a su banda prohibida más pequeña. Mientras tanto, los fotones de menor energía pasarían a través de la capa superior semitransparente para ser absorbidos por el silicio, aumentando así la capacidad de absorción total de la célula.
"Las células en tándem son la fruta de bajo perfil cuando se trata de perovskitas", dijo Padture. "Todavía no estamos buscando reemplazar la tecnología de silicio existente, sino que estamos buscando impulsarla. Entonces, si pueden haceruna célula en tándem sin plomo que es estable, entonces es un ganador. Este nuevo material parece un buen candidato ".
Otros coautores del artículo fueron Ming-Gang Ju, Alexander Carl, Yingxia Zong, Ronald Grimm, Jiajun Gu y Xiao Cheng Zeng. La investigación fue apoyada por la National Science Foundation OIA-1538893, DMR-1420645.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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