Con el fin de conseguir paneles solares más eficientes, sostenibles y potentes, el proyecto europeo PERTPV (Fotovoltaica de película delgada de perovskita) está utilizando materiales de perovskita para crear un nuevo tipo de celda solar. El objetivo es mejorar la eficiencia y la rentabilidad de la tecnología solar fotovoltaica.
Aunque el silicio es el material más utilizado en las celdas solares, otros materiales tienen el potencial de ofrecer una elevada eficiencia, versatilidad y rentabilidad. Un ejemplo son las perovskitas, un tipo de material que tiene la misma estructura cristalina que el mineral compuesto de titanato de calcio.
La perovskita de haluro metálico es un absorbente fotovoltaico emergente que ha atraído mucha atención en la comunidad de investigación fotovoltaica en los últimos años. Las perovskitas de haluro de plomo en estado sólido han surgido recientemente como la última clase de dispositivos fotovoltaicos de película delgada. Se han obtenido altas eficiencias de conversión de potencia (22%) y estabilidades (> 1000 horas a 80 °C bajo una iluminación solar) utilizando procesos a escala de laboratorio y celdas de área pequeña (<1 cm2).
Los componentes básicos de los materiales de perovskita son de muy bajo costo y el procesamiento en la película delgada de perovskita final se puede lograr con procesos rápidos a baja temperatura. Esto les convierte en materiales muy rentables para ofrecer una tecnología fotovoltaica futura con un coste de electricidad nivelado inferior al de la fotovoltaica convencional existente.
Proyecto PERTPV
Según explican desde la Universidad de Oxford, coordinadora del proyecto, cuando las perovskitas se utilizan como material absorbente, han demostrado ser capaces de producir celdas muy eficientes que casi igualan la eficiencia de las celdas tradicionales de silicio. A la pregunta de cómo pueden competir las celdas de perovskita con las celdas de silicio, ya eficientes e inmersas en la producción a gran escala, Henry Snaith, catedrático de la Universidad de Oxford, responde que la clave es apostar por una mayor eficiencia, que es lo que precisamente pretende el proyecto PERTPV.
El proyecto PERTPV está financiado con fondos europeos del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 con cerca de 5 millones de euros. Además de la Universidad de Oxford, participan otras entidades de España (Universidad de Valencia), Italia, Países Bajos, Lituania, Suiza, Reino Unido, Finlandia y Alemania. El consorcio PERTPV está formado por los principales grupos académicos en investigación fotovoltaica de perovskita, además de empresas de investigación, y tres socios comerciales en etapas complementarias en la cadena de valor (impulsor de tecnología, proveedor de materiales y proveedor de equipos).
Aumento de la eficiencia y de la tensión eléctrica
En la actualidad, las celdas solares de silicio solo pueden absorber la energía de una única banda de luz. La versatilidad es el valor añadido que ofrecen las celdas de perovskita frente a las celdas de silicio. Tal y como explican desde la coordinación del proyecto, la composición de las perovskitas se puede cambiar para que absorban diferentes bandas de luz.
En lugar de absorber toda la luz en un solo material, como es el caso del silicio, se pueden apilar dos o más celdas y absorber diferentes bandas de luz solar, que pueden transportar diferentes niveles de energía. “Una celda solar solo puede producir tanta tensión eléctrica como la banda de luz que es capaz de absorber. Al apilar las celdas, se puede aumentar el rango de banda y, al hacerlo, aumentar tanto la tensión eléctrica como la eficiencia”, explica Henry Snaith en un artículo de investigación publicado por la Comisión Europea.
Ha habido muchos avances en la combinación de perovskita con celdas de silicio, para producir una celda de unión «en tándem» con una eficiencia mucho mayor. En la actualidad, una empresa derivada de la Universidad de Oxford, Oxford PV, está apilando perovskitas sobre silicio y se espera que el producto comercial llegue al mercado el próximo año.
Sin embargo, el proyecto PERTPV pretende ir más allá y apila celdas de perovskita sobre celdas de perovskita. El objetivo es demostrar una alta eficiencia en las celdas de perovskita de banda prohibida ancha y estrecha, lo que permitirá suministrar celdas en tándem con un 30% de eficiencia.
En el marco del proyecto, el objetivo también es hacer avanzar la tecnología fotovoltaica de película delgada de perovskita al siguiente nivel impulsando tanto el rendimiento (eficiencia y estabilidad) como el desarrollo de metodologías de fabricación de dispositivos y módulos escalables, compatibles con la fabricación de alto volumen.
Obtención de resultados
El proyecto PERTPV arrancó en abril de 2018 y tiene prevista su finalización en septiembre de 2021. Los investigadores aseguran que ya se han obtenido algunos resultados prometedores. Por ejemplo, su perovskita de banda prohibida ancha, que va en la parte superior y recibe la luz solar en primer lugar, está justo por debajo de su eficiencia meta. Además, los investigadores están observando una estabilidad relativamente óptima en el material de la banda prohibida inferior, que está compuesto por una mezcla de estaño y plomo.
El reto se encuentra en la eficiencia de la perovskita de la banda prohibida inferior, que actualmente se encuentra en el rango de eficiencia del 18-19%, y el objetivo es conseguir que llegue al 23% para poder ofrecer una celda en tándem con un 30% de eficiencia.
Junto al objetivo de superar el 30% de eficiencia de conversión de energía en una celda en tándem de perovskita de película delgada y ofrecer una tecnología de módulo estable y certificable, también se realiza un análisis del ciclo de vida completo para llevar a cabo la implementación y el reciclaje masivos de los módulos fotovoltaicos de perovskita.
Además de desarrollar la tecnología en sí, el proyecto PERTPV aborda la cuestión de cómo fabricar mejor las celdas en tándem de perovskita. El objetivo es que cuando haya terminado el proyecto, se haya conseguido crear una celda en tándem de perovskita de alta eficiencia. Se espera que las celdas multiunión de perovskita lleguen al mercado como una alternativa viable y sostenible a las células fotovoltaicas de silicio en los próximos cinco años.