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Del silicio a las perovskitas híbridas estables.

Del silicio a las perovskitas híbridas estables.

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Por Arián Espinosa-Roa, catedrático/investigador CIQA Unidad Monterrey.

Debido al aumento de la demanda de energía eléctrica y al incremento de la población a nivel mundial, la concentración de los gases de efecto invernadero se ha elevado de manera drástica ya que la obtención de energía eléctrica se realiza principalmente por la quema de combustibles fósiles. Esto ha sido relacionado con la problemática del calentamiento global y el cambio climático. Adicionalmente, se prevé que dicha demanda energética continuará incrementándose en los siguientes años debido al crecimiento económico, tecnológico y poblacional. Es por estas razones que tanto en México como en el mundo existe la necesidad de utilizar y desarrollar fuentes limpias de energía, que ayuden a mitigar los efectos del cambio climático.
Entre las diversas fuentes de energías alternativas, la más prometedora es la energía solar, pues es una fuente de energía inagotable (en nuestra escala de tiempo), limpia y abundante. A través de los paneles solares es posible el obtener eficientemente un buen porcentaje de energía. Países como Alemania, Estados Unidos, China o Japón obtienen más del 10% de la energía que utilizan a través de este tipo de dispositivos. En la actualidad, la gran mayoría de los paneles solares comerciales son hechos a base de silicio cristalino que, a pesar de ser una tecnología probada y eficiente, es costosa ya que para su procesamiento se requiere de grandes cantidades de energía , desde los seis meses, hasta los dos primeros años, dependiendo del fabricante, la energía generada por el panel solar compensará la que fue utilizada en su fabricación, desde la obtención de los materiales hasta su manufactura, aunado al uso de tecnologías muchas veces contaminantes para la purificación del silicio . Es por estas razones que se buscan nuevas tecnologías para sustituirlo o complementarlo. De entre las tecnologías fotovoltaicas emergentes o de última generación, destacan las celdas solares a base de perovskitas híbridas. Esta tecnología es altamente prometedora gracias a su gran versatilidad, su facilidad de procesamiento y el potencial que tienen para disminuir el costo de producción y el impacto ambiental asociado al mismo .
Dichas celdas solares han sido muy exitosas a nivel de investigación aplicada, superando en un tiempo de 10 años, el 25% de eficiencia de conversión energética . Dado su reciente descubrimiento, y algunos problemas asociados con la estabilidad de estos dispositivos, esta tecnología aún no ha sido comercializada, sin embargo, se anticipa que algunos dispositivos se encuentren disponibles para este año 2020 gracias al impulso de compañías y consorcios europeos, asiáticos y norteamericanos, principalmente.

Las perovskitas híbridas tridimensionales han sido intensamente estudiadas como materiales para celdas solares , en particular perovskitas híbridas del tipo (MA)MX3 (donde MA = metilamonio; M = Sn, Pb; y X = Cl, Br, I) , han tenido gran éxito como materiales absorbentes en celdas fotovoltaicas. A pesar de los grandes avances, existen problemas a resolver para la implementación de este tipo de dispositivos a nivel industrial, lo que abre las puertas a muchas oportunidades y vías de investigación. En particular, la estabilidad de los dispositivos generados con perovskitas híbridas es el principal problema a resolver, debido a que la estructura cristalina que es la parte medular de estos dispositivos reacciona con la humedad del ambiente descomponiéndose parcialmente, perdiendo su funcionalidad.

Figura 1. Perovskita Híbrida MAPbI, una de las mas utilizadas en celdas solares. En gris, los átomos de plomo, en morado los iodos, en medio de los poliedros de color azul están los fragmentos orgánicos, que en este caso es metilamonio.

 

Diversos grupos de investigación coinciden en que, mediante la incorporación de aditivos de diversas naturalezas, se puede estabilizar este material. Nosotros en particular sintetizamos aditivos polimerizables que confieren propiedades ópticas y/o mecánicas mejoradas. En concreto, los aditivos polimerizables han mostrado ser eficientes al estabilizar los dispositivos que los contienen, en un porcentaje menor al 1% en peso, por más de 500 horas con respecto a las celdas solares de referencia, sin impactar negativamente en su desempeño. A través de este tipo de materiales buscamos el poder generar celdas solares eficientes y económicas, que puedan ser imprimibles. Actualmente hemos probado nuestros aditivos generando prototipos estables.

Figura 1. Representación esquemática de la modificación post sintética dentro de los materiales obtenidos. El poliedro representa a los haluros en los vértices y el metal en el centro.

 

 

 

 

 

[1]             (a) G. T. Rochelle, Science 2009, 325, 1652–1654; (b) D. W. Keith, Science 2009, 325, 1654–1655; (c) R. S. Haszeldine, Science 2009, 325, 1647–1652.

[1]             Anderson, T. R., et al. (2016). «CO2, the greenhouse effect and global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today’s Earth System Models.» Endeavour 40(3): 178-187.

[1]             M. Jacobson, Energy & Environmental Science 2009, 2, 148–173.

[1]             S. Ranjan, S. Balaji, Rocco A. Panella, B. Erik Ydstie, Silicon solar cell production, Computers & Chemical Engineering, 35 (8), 2011, 1439. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2011.04.017.

[1]                    https://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/solar-energy-isnt-always-as-green-as-you-think

[1]             J. Gong, S. B. Darling, F. You, Energy & Environmental Science 2015, DOI 10.1039/C5EE00615E.

[1]             https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

[1]             Ver por ejemplo: a) S. D. Stranks, H. J. Snaith, Nature Nano. 2015, 10, 391–402. b) M. A. Green, A. Ho-Baillie, H. J. Snaith, Nature Photon. 2014, 8, 506–514. C) B. Wang, X. Xiao, T. Chen, Nanoscale, 2014, DOI 10.1039/c4nr04144e. d) P. Gao, M. Grätzel, M. K. Nazeeruddin, Energy & Environmental Science 2014, 7, 2448–2463.

[1]             a) N. K. Noel, S. D. Stranks, A. Abate, C. Wehrenfennig, S. Guarnera, A. Haghighirad, A. Sadhanala, G. E. Eperon, S. K. Pathak, M. B. Johnston, et al., Energy & Environmental Science 2015, DOI: 0.1039/C4EE01076K.

  1. b) C. C. Stoumpos, L. Frazer, D. J. Clark, Y. S. Kim, S. H. Rhim, A. J. Freeman, J. B. Ketterson, J. I. Jang, M. G. Kanatzidis, Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6804–6819.

[1]             a) H. J. Snaith, Nature Photon 2012, 6, 337–340. b) S. Guarnera, A. Abate, W. Zhang, J. M. Foster, G. Richardson, A. petrozza, H. J. Snaith, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 432–437. c) G. Niu, X. Guo, L. Wang, Journal of Materials Chemistry A 2015, DOI 10.1039/C4TA04994B.



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