Materiales sintetizados en laboratorio pueden abaratar la energía solar

Las perovskitas, cristales con potencial aplicación en el campo de la tecnología fotovoltaica, han venido siendo estudiadas por científicos vinculados al Centro de Innovación en Nuevas Energías, que cuenta con apoyo de la FAPESP

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Merced a su potencial de aplicación en el campo de la tecnología fotovoltaica, las perovskitas se ubican entre los materiales funcionales más estudiados en la actualidad. Las células solares de perovskitas alcanzan hoy en día una eficiencia del 25% en la conversión de energía luminosa en energía eléctrica, superando así el porcentaje de las células de silicio policristalino, que aún son las más comercializadas en el mundo. La gran diferencia de esta nueva tecnología reside en la simplicidad de su fabricación, que a su vez resulta más barata y con menor impacto sobre el medio ambiente.

“Las células de silicio solamente pueden fabricarse en ambientes con un elevado control de material en partículas y demandan temperaturas que ascienden a más de 1.500 °C. Por este motivo, aunque su precio ha caído bastante en los últimos años, los paneles solares a base de silicio son sumamente caros. En nuestro laboratorio, estamos produciendo películas de perovskita con base en soluciones, también denominadas pinturas, a temperatura ambiente”, dijo Ana Flávia Nogueira, docente del Instituto de Química de la Universidad de Campinas (IQ-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil, e investigadora responsable de la División de Portadores Densos de Energía del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE).

El CINE es un Centro de Investigaciones en Ingeniería (CPE) constituido por la FAPESP y por la petrolera Shell.

Junto a los investigadores Hélio Tolentino y Raul de Oliveira Freitas, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), Nogueira coordinó un estudio de caracterización de películas de perovskita híbrida. Ese trabajo resultó en el artículo intitulado Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films, publicado en el periódico científico Science Advances, perteneciente al grupo Science.

El referido estudio se llevó a cabo con el apoyo de la FAPESP durante el doctorado de Rodrigo Szostak.

“Durante los últimos cinco años ha habido una carrera entre todos los grupos de investigación para ver cuál obtenía la mayor eficiencia. Estamos cerca del límite teórico de eficiencia, de alrededor del 30%. Sin embargo, la tendencia actual apunta a dar un paso atrás a los efectos de entender mejor a estos materiales. El trabajo llevado a cabo por Szostak se inserta en esta nueva tendencia. La técnica que él empleó, con aplicación de luz sincrotrón y uso de nanoespectroscopía con infrarrojo, se aplicó por primera vez en la caracterización de perovskitas”, afirmó Nogueira.

Szostak utilizó el aparato del LNLS, lo que le permitió mapear granos nanométricos individuales en las películas. Esto fue de suma importancia, pues el método de fabricación de las películas, que consiste en depositar una solución de los precursores del material sobre un sustrato, en capas con espesores medidos en nanómetros, puede originar tanto la fase estructural de interés como también fases indeseables. Factores circunstanciales, tales como la humedad o la temperatura, tienen influjo sobre la forma de organización de los átomos, lo que hace que puedan pasar de una estructura con actividad fotovoltaica a una estructura inactiva. El objetivo del estudio consistió en investigar de qué manera se distribuyen esas diferentes fases en la película y, por consiguiente, cómo influyen sobre el rendimiento del dispositivo.

Un tipo diverso

La perovskita propiamente dicha es un óxido de calcio y titanio cuya fórmula molecular es CaTiO₃. Se la descubrió en los montes Urales, en Rusia, en el año 1839. Y se le dio ese nombre en homenaje al mineralogista ruso Lev Perovski (1792-1856), ministro del zar Nicolás I. Lo que los investigadores del CINE y otros denominan como perovskita corresponde a decir verdad a un tipo compuesto por materiales diversos sintetizados en laboratorio que exhiben la misma estructura cristalina que la perovskita original. Se trata de sustancias constituidas por dos cationes (iones positivos) de distintos tamaños que pueden describirse genéricamente mediante la fórmula molecular ABX₃, en la cual A y B representan a los cationes y X representa a los halógenos.

Las investigaciones realizadas en el CINE, con la mira puesta en su potencial utilización en dispositivos fotovoltaicos, se enfocan en las perovskitas híbridas, con un catión inorgánico (sin carbono) y un catión orgánico (con carbono).

“Szostak trabajó con perovskitas tridimensionales. Otro trabajo de nuestro grupo, realizado por Raphael Fernando Moral, resultó en la síntesis de un nuevo material, una perovskita bidimensional. Moral también empleó la luz sincrotrón para la caracterización del material, pero con dispersión de rayos X”, comentó Nogueira.

El trabajo de Moral también contó con el apoyo de la FAPESP mediante una beca de maestría y una beca de pasantía de investigación en el exterior. Y sus resultados aparecieron destacados en la portada del periódico científico Chemistry of Materials, de la American Chemical Society, donde se publicó el artículo intitulado Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden–Popper Organic Lead Halides and Their Growth Dynamics.

En Estados Unidos, Moral trabajó en las instalaciones del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource para el seguimiento del crecimiento del material en el momento exacto en que se producía la reacción química, mediante la aplicación de una técnica denominada dispersión de rayos X en ángulos bajos (del inglés SAXS). De regreso a Brasil, el investigador y sus colaboradores prosiguieron el estudio en el LNLS con el objetivo de evaluar la estabilidad del material en diversas condiciones de contorno.

“Moral logró determinar incluso la velocidad promedio con la cual se superponen las placas 2D durante la formación del material. Cuando la atraviesa una corriente eléctrica, esa perovskita emite una luz muy fuerte y puede constituir un excelente material para la fabricación de LEDs [light-emitting diodes]”, dijo Nogueira.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films en el siguiente enlace: advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw6619. Y puede leerse el artículo intitulado Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden–Popper Organic Lead Halides and Their Growth Dynamics en: pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b03439.