Forma ultrarrápida de fabricar paneles solares de perovskita
La mayoría de las células solares de hoy en día están hechas con silicio refinado que convierte la luz solar en electricidad limpia. Desafortunadamente, el proceso de refinado del silicio está lejos de ser limpio, y requiere grandes cantidades de energía de centrales eléctricas que emiten carbono.
Un módulo solar de perovskita producido por el procesamiento de plasma de pulverización rápida. / Nick Rolston
Para una alternativa más ecológica al silicio, los investigadores se han centrado en las perovskitas de película delgada: células solares flexibles de bajo costo que pueden producirse con una energía mínima y prácticamente sin emisiones de CO2.
Si bien las células solares de perovskita son prometedoras, es necesario abordar importantes desafíos antes de que puedan convertirse en algo común, entre los que destaca su inherente inestabilidad, que dificulta su fabricación a escala.
“La tecnología solar perovskita está en una encrucijada”, dijo un becario de postdoctorado de la Universidad de Stanford, Nick Rolston. “Se están invirtiendo millones de dólares en empresas de nueva creación. Pero creo firmemente que en los próximos tres años, si no hay un avance que extienda la vida útil de estas células, ese dinero comenzará a agotarse”.
Es por eso que un nuevo proceso de fabricación de perovskita desarrollado en Stanford es tan emocionante, según Rolston. En un nuevo estudio, publicado en la revista Joule, él y sus colegas demuestran una forma ultrarrápida de producir células estables de perovskita y ensamblarlas en módulos solares que podrían alimentar dispositivos, edificios e incluso la red eléctrica.
“Este trabajo proporciona un nuevo hito para la fabricación de perovskita”, dijo el autor principal del estudio, Reinhold Dauskardt, de la Escuela de Ingeniería de Stanford. “Resuelve algunas de las barreras más formidables para la fabricación a escala de módulos con las que la comunidad ha estado tratando durante años”.
Las células solares de perovskita son delgadas películas de cristal sintético hechas de sustancias químicas baratas y abundantes como el yodo, el carbono y el plomo.
Las células de película fina son ligeras, plegables y pueden crecer en laboratorios a temperaturas cercanas al punto de ebullición del agua, muy lejos de los hornos de 1.650 grados Celsius necesarios para refinar el silicio industrial.
Los científicos han desarrollado células de perovskita que convierten el 25 por ciento de la luz solar en electricidad, una eficiencia de conversión comparable a la del silicio. Pero es poco probable que estas células experimentales se instalen en los tejados en un futuro próximo.
“La mayoría de los trabajos realizados en las perovskitas involucran áreas muy pequeñas de células solares activas y utilizables. Tienen típicamente una fracción del tamaño de la uña del dedo meñique”, dijo Rolston, quien codirigió el estudio con William Scheideler, un ex becario de postdoctorado de Stanford, ahora profesor asistente en el Dartmouth College.
Los intentos de hacer células más grandes han producido defectos y agujeros que disminuyen significativamente la eficiencia de las células. Y a diferencia de las células de silicio rígido, que duran de 20 a 30 años, la perovskita de película fina se acaba degradando cuando se expone al calor y la humedad.
“Puedes hacer un pequeño dispositivo de demostración en el laboratorio”, dijo Dauskardt. “Pero el procesamiento convencional de la perovskita no es escalable para una fabricación rápida y eficiente”.
Para hacer frente al desafío de la producción a gran escala, el equipo de Dauskardt desplegó una tecnología patentada que inventaron recientemente llamada procesamiento de plasma de pulverización rápida.
Esta tecnología utiliza un dispositivo robótico con dos boquillas para producir rápidamente finas películas de perovskita. Una boquilla rocía una solución líquida de precursores químicos de perovskita sobre un panel de vidrio, mientras que la otra libera una ráfaga de gas ionizado altamente reactivo conocido como plasma.
“El procesamiento convencional requiere que se hornee la solución de perovskita durante media hora”, dijo Rolston. “Nuestra innovación es usar una fuente de plasma de alta energía para convertir rápidamente la perovskita líquida en una célula solar de película fina en un solo paso”.
Usando el procesamiento de rociado rápido, el equipo de Stanford fue capaz de producir 12 metros de película de perovskita por minuto, unas cuatro veces más rápido de lo que se tarda en fabricar una célula de silicio.
“Logramos el mayor rendimiento de cualquier tecnología solar”, dijo Rolston. “Puedes imaginar grandes paneles de vidrio colocados en rodillos y produciendo continuamente capas de perovskita a velocidades nunca antes logradas”.
Además de una tasa de producción récord, las células de perovskita recién acuñadas alcanzaron una eficiencia de conversión de energía del 18 por ciento.
El equipo de Stanford estimó que sus módulos de perovskita pueden ser fabricados por unos 25 centavos de dólar por pie cuadrado, mucho menos de los 2,50 dólares o más por pie cuadrado que se necesitan para producir un módulo típico de silicio.
