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Perovskita, células solares de bajo coste

Las propiedades fotovoltaicas de este revolucionario material permiten acariciar el viejo sueño de fabricar paneles solares de mayor rendimiento y conseguir electricidad barata a partir del sol

Su nombre evoca un mineral extraterrestre capaz de arrebatar los poderes a un superhéroe con capa y pelo engominado. Y aunque su origen es más terrenal, la perovskita ha demostrado, de hecho, su capacidad para capturar y aprovechar la energía contenida en la luz proveniente del Sol. Este nuevo material, que se ha convertido en el centro de atención de los laboratorios y empresas innovadoras del mundo, promete colmar la vieja aspiración de disponer de células fotovoltaicas de bajo coste y con rendimientos cercanos a los del omnipresente silicio.

Siendo precisos, no se debería catalogar como nuevo un material que en realidad se conoce desde 1839. Pero lo cierto es que no fue hasta el año 2012 cuando la perovskita saltó a los titulares de las principales revistas científicas. Esto se debe a que la perovskita no es un único material, sino una estructura cristalina en la que caben innumerables combinaciones posibles. Y fue en 2012 cuando un grupo de investigación de la Universidad de Oxford publicó en Science una combinación concreta con propiedades fotovoltaicas notables. En el corto tiempo transcurrido desde entonces esas propiedades se han mejorado de manera exponencial.

La perovskita no es un único material, sino una estructura cristalina en la que caben innumerables combinaciones

La investigadora española Laura Miranda ha sido a la vez testigo y actriz protagonista de esa evolución. Se doctoró en ciencia de los materiales investigando precisamente las perovskitas y, posteriormente, una beca posdoctoral le llevó a la Universidad de Oxford en 2012, justo en el momento de la explosión de este big bang científico por la perovskita. Hace un par de años se incorporó a la empresa Oxford Photovoltaics, una spinoff creada por uno de los firmantes de ese artículo fundacional de Science, el profesor Henry J. Snaith.

“Mi punto de vista viene de la comercialización, de entender y superar los retos y llevar un producto al mercado, y realmente creo que esta nueva tecnología, estas perovskitas, son el siguiente paso en energía solar. Estamos todavía dando nuestros primeros pasos y, sin embargo, los avances son espectaculares”, explica Laura Miranda, directora del departamento de investigación de materiales en la compañía.

Rápida evolución

No hay más que echar un ojo al gráfico que ilustra este reportaje en la página siguiente para captar el impacto que ha supuesto la perovskita en el campo de la energía fotovoltaica y la rápida evolución de esta tecnología comparada con cualquier otra. En menos de 5 años el rendimiento de las células solares de perovskita ha aumentado del 5% inicial al actual 21%. Ninguna otra tecnología ha logrado mejorar así su tasa de conversión de luz solar en electricidad en tan poco tiempo. Ni siquiera el silicio, paladín de la industria fotovoltaica.

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“Los paneles de silicio alcanzaron su máximo del 25% de conversión hace unos 20 años y nuevos adelantos no han conseguido aumentar su eficiencia. También hay que destacar que el 25% es el máximo logrado pero que la media en paneles de silicio comerciales está más cerca del 20%. Las celdas de perovskita han llegado al 21% en menos de 5 años. Solamente estos datos ya dan una idea de lo revolucionaria de esta tecnología”, contextualiza Laura Miranda.

Pero hay más. Porque el proceso de fabricación de células solares de perovskita promete abaratar enormemente el coste de los paneles. Las perovskitas usadas en aplicaciones fotovoltaicas son híbridos orgánico-inorgánicos, con la parte inorgánica compuesta por halógenos (I, Br) y plomo (Pb). “Estos materiales se forman a muy bajas temperaturas (en algunos casos incluso a temperatura ambiente), los procesos por los que pueden ser depositadas son muy variados y los materiales precursores de muy bajo coste y alta disponibilidad. Estas características, junto con los valores de eficiencia obtenidos, hacen muy competitivos estos materiales comparados con el silicio, en los que el proceso de manufacturación es largo y de elevado coste”, señala Miranda.

En cinco años el rendimiento de las células solares de perovskita ha aumentado del 5% al 21%. Ni siquiera el silicio ha mejorado tan rápido su tasa de conversión de luz solar en electricidad

Durante los últimos años, los fabricantes de paneles de silicio han invertido esfuerzos en reducir el coste de manufacturación y, por tanto, el precio de la energía (vatios) por unidad de superficie, disminuyendo 200 veces este precio desde su valor inicial en 1976 (100 dólares/W), pero han tocado techo en cuanto a eficiencia. Las obleas de silicio se siguen fabricando en procesos complejos que requieren temperaturas de hasta 2.000 grados centígrados. Frente a ello, las celdas de perovskita se producen a temperaturas que nunca superan los 200 grados, y mediante procesos más sencillos de deposición, como el de impresión inkjet.

Costes de fabricación

Algunas voces matizan, sin embargo, el impacto que pueda tener una disminución del coste de fabricación de los paneles cuando se implemente la persovskita, aduciendo que la mayor parte del precio de una instalación solar no se debe a los paneles, sino a los gastos adyacentes vinculados al montaje, como son los materiales para la instalación, mano de obra, permisos, etc. Según esta visión, cualquier descenso en los costes de fabricación de las células solares está abocado a quedar diluido por los otros costes asociados a la instalación, mucho ción sectorial de la energía solar fotovolmás relevantes. taica en España. Formada por unas 300

La Unión Española Fotovoltaica empresas y entidades de toda la cadena (Unef) discrepa y confía en que una ba-de valor de la tecnología, representa a jada en el coste de fabricación de los pa-más del 85% de la actividad del sector neles como la que permitiría la introduc-en España y aglutina a su práctica totalición de la tecnología de las perovskitas dad: productores, instaladores, ingenieimpactaría positivamente en el mercado.

“En el caso de una instalación residencial de unos 5 kW, el coste se sitúa cerca de los 2,5-3 euros por vatio instalado. El coste del panel de silicio está en torno a 0,9-1 euro por vatio. Para instalaciones industriales de unos 100 kW, el coste supone alrededor de 1,7-1,8 euros por vatio instalado. Aplicando economías de escala el panel tiene un coste más económico, en torno a 0,6-0,7 euros el vatio”, explica Dánae de la Fuente desde Unef. “En ambas el porcentaje dedicado a los paneles de silicio es de entre el 35% y el 40% del coste total de instalación, por lo que consideramos que no queda diluido en el coste total”, sentencia De la Fuente.

La UNEF se autodefine como la asociación sectorial de la energía solar fotovoltaica en España. Formada por unas 300 empresas y entidades de toda la cadena de valor de la tecnología, representa a más del 85% de la actividad del sector en España y aglutina a su práctica totalidad: productores, instaladores, ingenierías, fabricantes de materias primas, módulos y componentes y distribuidores.

La perovskita haría posibles nuevas aplicaciones más flexibles que hasta ahora habían estado vetadas por la rigidez del silicio

De confirmarse los buenos rendimientos observados en las pruebas en laboratorio, las perovskitas podrían, por tanto, proporcionar una generación de energía similar al silicio per a un precio mucho menor, con células solares de bajo coste. Pero no solo eso, sino que la perovskita haría posibles nuevas aplicaciones más flexibles que hasta ahora habían estado vetadas por la rigidez del silicio.

“La perovskita, además de estar hecha de materiales abundantes y baratos, requiere aplicar capas mucho más finas que el silicio. Mientras que las obleas de silicio tienen 150 micras de grosor, las de perovskita son de solo media micra. Es decir, que se usa menos material y encima es más barato”, explica Henk Bo-link, investigador del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia. Esa delgada capa de perovskita podría aplicarse en una oblea, pero también en casi cualquier material imaginable, des-de los cristales de un edificio, hasta una lámina de PVC o incluso la ropa que llevamos puesta.

Obstáculos para el mercado

Desgraciadamente, no todos son ventajas. La perovskita presenta dos inconvenientes, que aunque no sean insalvables, obstaculizan su puesta en el mercado. El primero es la limitada estabilidad de sus componentes, que se ven afectados por la humedad ambiental. Por ello, el proceso de manufacturación tiene que incluir un buen sellado del producto final de manera que esté siempre protegido. Aun así, el tiempo de vida de un panel solar de perovskita no puede competir todavía con el de un panel de silicio. “El silicio ha demostrado más de 20 años de vida útil. Por lo que respecta a la perovskita, algunos grupos de investigación han demostrado un tiempo de vida máximo de 1.000 horas. Pero 1.000 horas no son 20 años”, señala Bolink.

Otra desventaja de la perovskita es que contiene plomo, un metal muy tóxico. Pero ni Henk Bolink ni Laura Miranda creen que este vaya a ser un factor limitante en la comercialización de celdas solares de perovskita. “Voy a dar un ejemplo a título comparativo”, propone Miranda. “Una batería de coche contiene 10 kilos de plomo, mientras que un panel solar de perovskita tiene 1 gramo por metro cuadrado. Los paneles solares de perovskita cumplen con todas las regulaciones actuales”.

Solo el tiempo dirá si los investigadores son capaces de superar los retos tecnológicos que plantea este nuevo material que promete una revolución en la producción de energía renovable a partir de la luz de nuestro Sol.

Celdas solares híbridas

A pesar de las posibilidades de la perovskita, la mayoría de investigadores y la industria parecen tener claro que esta no sustituirá al silicio, al menos a medio plazo. “En el mejor de los casos puede hacer al silicio más eficiente”, comenta Henk Bolink.

¿Cómo? Mediante las denominadas celdas solares híbridas o tándems, formadas por dos materiales distintos. Estos materiales absorben en diferentes longitudes de onda del espectro solar, de manera que la unión de los dos con los contactos eléctricos adecuados aumenta la cantidad de luz absorbida y, por tanto, la eficiencia del producto final. La zona del espectro donde los materiales absorben depende del band gap, y en el caso de las perovskitas híbridas, el band gap puede ser alterado para conseguir que encaje con el del silicio y aumentar de esta manera su eficiencia.

“Oxford Photovoltaics está totalmente enfocado en comercializar la primera celda tándem de perovskita con silicio y cabe destacar que recientemente fabricamos una celda solar tándem con una eficiencia en torno al 22%, lo que supone un aumento neto respecto a la celda de silicio usada del 5%. La razón por la que este tipo de celdas son las que, a día de hoy, presentan las mejores perspectivas comerciales se debe a que con la simple adición de otra capa en los actuales paneles de silicio, se consigue un aumento de eficiencia sin coste adicional”, explica Laura Miranda, directora de investigación en materiales de Oxford Photovoltaics.

Esta podría ser, sin duda, la mejor carta de presentación de la perovskita ante un mercado copado por el silicio, en el que parece improbable un cambio radical de paradigma.

El grupo de Henk Bonlink en la Universidad de Valencia es uno de los pocos líderes mundiales en conseguir aplicar de manera uniforme una capa de perovskita sobre la superficie rugosa del silicio mediante innovadores procesos de vacío por sublimación.

 

Fuente: Técnica Industrial