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Hito histórico: la combinación de perovskita y silicio logra una conversión en energía solar del 30%

Los dispositivos tándem fotovoltaicos de cuatro terminales de perovskita-silicio han conseguido lo que parecía imposible hasta ahora, aunando lo mejor de ambos materiales.

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Redactora Jefe de Escudo Digital

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 Tándem fotovoltaico de cuatro  terminales de perovskita-silicio // Foto: TNO
Tándem fotovoltaico de cuatro terminales de perovskita-silicio // Foto: TNO

Cuatro entidades TN0 (especializada en sostenibilidad) , la Universidad Eindhoven de Tecnología, Mechanical, Maritime and Materials Engineering - TU Delft, partners todos ellos en Solliance , una importrante multinacional con sede en holanda, muy implicada en la investigación de la energía solar,  han trabajado en común para mejorar la eficiencia de las células solares en tándem más allá de los límites de los módulos fotovoltaicos actuales. Solliance tiene una división importante de investigación sobre energía solar.

Por primera vez en la historia, los dispositivos tándem de perovskita/silicio de cuatro terminales con una celda superior certificada superan la barrera del 30 %. Tal alta eficiencia permite más potencia por metro cuadrado y menos costo por kWh.

El resultado de las investigaciónes se ha anunciado a bombo y platillo durante la Octava  Conferencia Mundial sobre Conversión de Energía Fotovoltaica (WCPEC-8) en Milán, y se ha logrado mediante la combinación de la célula solar de perovskita emergente con tecnologías de células solares de silicio convencionales. La celda de perovskita que presenta contactos transparentes y es parte de la pila en tándem ha sido certificada de forma independiente.

La perovskita fue descubierta en los Montes Urales de Rusia en el siglo XIX
 

Además, lograr una densidad de alta potencia creará más oportunidades para integrar estas células solares en la construcción y los elementos de construcción, de modo que se pueda cubrir una mayor superficie existente con módulos fotovoltaicos. Romper la barrera del 30% es, por tanto, un gran paso para acelerar la transición energética y mejorar la seguridad energética al reducir la dependencia de los combustibles fósiles. La perovskita no es un mineral precisamente abundante, sino relativamente raro en la corteza terrestre.  Fue descubierta en los Montes Urales de Rusia por Gustav Rose en 1839 y nombrada en honor al mineralogista ruso, L. A. Perovski (1792-1856).

Sin embargo, también se conoce con el mismo nombre a una clase de compuestos, incluyendo los sintéticos,  que tienen el mismo tipo de estructura cristalina que el CaTiO3 (XIIA2+VIB4+X2−3), conocida como estructura de perovskita. En esta estructura se pueden incrustar muchos cationes diferentes, lo que permite el desarrollo de diversos materiales de ingeniería. Algunas propiedades físicas de interés de las perovskitas para la ciencia de los materiales son la superconductividad, la magnetoresistencia, la conductividad iónica y otras muchas propiedades dieléctricas, que son de gran importancia en microelectrónica y telecomunicaciones. Hasta ahora, se conocía la importancia de la perovskita en la energía solar para fabricar arquitecturas de dispositivos simplificadas (sin naonestructuras compejas) mediante la simple técnica de deposición de vapor. Esta producía una conversión de energía solar a eléctrica del 15%. 

Al unirla con el silicio, gracias al trabajo de los investigadores de las empresas anteriormente citadas, cuatro dispositivos tándem fotovoltaicos terminales de perovskita-silicio alcanzan una eficiencia del 30% y todo gracias a que los dispositivos en tándem fabricados con ambos conductores utilizan consiguen una conversión altamente eficiente de luz ultravioleta y visible y una excelente transparencia a la luz infrarroja cercana.

En los dispositivos tándem de cuatro terminales (4T), las celdas superior e inferior funcionan de forma independiente, lo que permite aplicar diferentes celdas inferiores en este tipo de dispositivos. La tecnología PERC comercial, así como tecnologías premium como la heterounión o TOPCon o la tecnología de película delgada como CIGS se pueden implementar en un dispositivo tándem de 4T sin apenas modificaciones en las células solares.

 De izquierda a derecha, en esta imagen extraía de Twitter, cuatro héroes tecnológicos: Yifeng Zhao (TUDelft) - Mehrdad Najafi (TNO) - Valerio Zardetto (TNO) - Dong Zhang (TNO) Fotógrafo: Niels van Loon. 

Los investigadores de los Países Bajos y Bélgica han obtenido un sorprendente éxito al mejorar la eficiencia de las celdas de perovskita semitransparentes hasta en un 19,7 % con un área de 3x3 mm2 según lo certificado por ESTI (Italia).

Una influencia decisiva en la industria mundial

 

“Este tipo de celda solar presenta un contacto posterior altamente transparente que permite que más del 93 % de la luz infrarroja cercana llegue al dispositivo inferior. Este rendimiento se logró mediante la optimización de todas las capas de las células solares de perovskita semitransparentes utilizando simulaciones ópticas y eléctricas avanzadas como guía para el trabajo experimental en el laboratorio”. dice el Dr. Mehrdad Najafi de TNO, en declaraciones recogidas por la página web de dicha entidad. 

"El dispositivo de silicio es una celda solar de heterounión de 20x20 mm2 de ancho que presenta una pasivación superficial optimizada, óxidos conductores transparentes y contactos frontales chapados en cobre para la extracción de portadores de última generación", ha manifestado por su parte Yifeng Zhao, estudiante de doctorado en TU Delft, cuyos resultados han sido recientemente revisados ​​por otros colegas.

El dispositivo de silicio apilado ópticamente debajo de la perovskita contribuye con un 10,4 % de puntos de eficiencia a la conversión total de energía solar. Combinados, el 30,1% es la eficiencia de conversión de estos dispositivos tándem 4T sin coincidencia de área que funcionan de forma independiente. La mejor eficiencia de este mundo se mide de acuerdo con procedimientos generalmente aceptados.

la combinación de esta celda de perovskita altamente transparente con otras tecnologías basadas en silicio, como el contacto posterior (celdas de contacto posterior interdigitadas y envolventes de metal) y las células solares TOPCon, también ha brindado eficiencias de conversión cercanas al 30%. Esto demuestra el potencial de las células solares de perovskita altamente transparentes y su flexibilidad para combinarse con tecnologías ya comercializadas. El hallazgo y la patente de esta tecnología puede tener una influencia decisiva en la industria mundial. 

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