Una clase emergente de tecnología de energía solar, hecha con semiconductores de perovskita, ha alcanzado el ansiado hito de una vida útil de 30 años. Los investigadores de Princeton Engineering que diseñaron el nuevo dispositivo también revelaron un nuevo método para probar el rendimiento a largo plazo, un obstáculo importante en el camino hacia la comercialización. Crédito: Fotos de Bumper DeJesus
Células solares de perovskita de 30 años y una nueva técnica para probarlas a largo plazo.
Los científicos de Princeton Engineering han desarrollado la primera célula solar de perovskita con una vida útil comercialmente viable, lo que marca un hito importante para una clase emergente de tecnología de energía renovable. El equipo de investigación predice que su dispositivo puede funcionar por encima de los estándares de la industria durante unos 30 años, mucho más allá de los 20 años utilizados como umbral de viabilidad para las células solares.
El dispositivo no solo es muy duradero, sino que también cumple con los estándares de eficiencia comunes. De hecho, es el primero de su tipo en competir con el rendimiento de las células basadas en silicio, que han dominado el mercado desde su introducción en 1954.
Las perovskitas son semiconductores con una estructura cristalina especial que los hace muy adecuados para la tecnología de células solares. Se pueden fabricar a temperatura ambiente, utilizando mucha menos energía que el silicio, lo que los hace más baratos y duraderos de producir. Y mientras que el silicio es rígido y opaco, las perovskitas se pueden hacer flexibles y transparentes, extendiendo la energía solar mucho más allá de los icónicos paneles rectangulares que pueblan las colinas y los tejados de todo Estados Unidos.
Una variedad de diseños de celdas solares de perovskita se colocan bajo luz brillante a temperaturas elevadas durante un proceso de prueba y envejecimiento acelerado desarrollado por investigadores de Princeton Engineering. El nuevo enfoque de prueba marca un paso importante hacia la comercialización de células solares avanzadas. Crédito: Foto de Bumper DeJesus
Pero a diferencia del silicio, las perovskitas son notoriamente frágiles. Las primeras células solares de perovskita (PSC), creadas entre 2009 y 2012, duraron solo unos minutos. La vida útil esperada del nuevo dispositivo representa un aumento de cinco veces con respecto al récord anterior, establecido por un PSC de menor eficiencia en 2017. (Este dispositivo funcionó bajo iluminación continua a temperatura ambiente durante un año. El nuevo dispositivo funcionaría durante cinco años en condiciones de laboratorio similares).
El equipo de Princeton, dirigido por la profesora de ingeniería Lynn Loo de Theodora D. ’78 y William H. Walton III ’74, presentó su nuevo dispositivo y método para probar dichos dispositivos en un artículo publicado el 16 de junio de 2022 en el periódico La ciencia.
Loo dijo que el diseño sin precedentes destacó el potencial perdurable de las PSC, particularmente como una forma de impulsar la tecnología de células solares más allá de los límites del silicio. Pero también apuntó más allá del resultado principal a la nueva técnica de envejecimiento acelerado de su equipo como el significado más profundo del trabajo.
Examine una celda solar de perovskita altamente estable bajo aumento durante un proceso de envejecimiento acelerado que ayuda a los investigadores a predecir la vida útil prolongada de los diseños avanzados. Crédito: Foto de Bumper DeJesus
«Es posible que tengamos el récord hoy», dijo, «pero alguien más vendrá con un récord mejor mañana. Lo que es realmente emocionante es que ahora tenemos una manera de probar estos dispositivos y averiguar cómo funcionarán a largo plazo». término.
Debido a la conocida fragilidad de las perovskitas, las pruebas a largo plazo no han sido motivo de gran preocupación hasta el momento. Pero a medida que los dispositivos mejoran y duran más, probar un diseño contra otro será crucial para implementar tecnologías duraderas y fáciles de usar.
«Es probable que este documento sea un prototipo para cualquiera que busque analizar el rendimiento en la intersección de la eficiencia y la estabilidad», dijo Joseph Berry, investigador principal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable que se especializa en física de células solares y que no participó en este estudio. “Haciendo un prototipo para estudiar la estabilidad, y mostrando lo que se puede extrapolar [through accelerated testing], hace el trabajo que todos quieren ver antes de comenzar las pruebas de campo a gran escala. Esto le permite proyectar de una manera realmente impresionante.
Si bien la eficiencia se ha acelerado a un ritmo notable durante la última década, dijo Berry, la estabilidad de estos dispositivos ha mejorado más lentamente. Para que se generalice y se implemente en la industria, las pruebas deberán volverse más sofisticadas. Aquí es donde entra en juego el proceso de envejecimiento acelerado de Loo.
«Este tipo de pruebas van a ser cada vez más importantes», dijo Loo. «Puedes hacer las células solares más eficientes, pero no importa si no son estables».
como llegaron aqui
A principios de 2020, el equipo de Loo estaba trabajando en varias arquitecturas de dispositivos que mantendrían una eficiencia relativamente alta, convirtiendo suficiente luz solar en energía eléctrica para que sean útiles, y sobrevivan a la avalancha de calor, luz y humedad que bombardean una celda solar durante su vida útil.
Xiaoming Zhao, investigador postdoctoral en el laboratorio de Loo, había estado trabajando en varios diseños con colegas. Los esfuerzos han superpuesto diferentes materiales para optimizar la absorción de la luz mientras se protegen las áreas más frágiles de la exposición. Desarrollaron una capa de recubrimiento ultrafina entre dos componentes cruciales: la capa absorbente de perovskita y una capa de carga basada en sal cúprica y otras sustancias. El objetivo era evitar que el semiconductor de perovskita se agotara en semanas o meses, la norma en ese momento.
Es difícil comprender cuán delgada es esta capa de cobertura. Los científicos usan el término 2D para describirlo, lo que significa dos dimensiones, como algo que no tiene espesor. En realidad, tiene solo unos pocos átomos de espesor, más de un millón de veces más pequeño que la cosa más pequeña que puede ver el ojo humano. Aunque la idea de una superposición 2D no es nueva, todavía se considera una técnica prometedora y emergente. Los científicos de NREL han demostrado que las capas 2D pueden mejorar drásticamente el rendimiento a largo plazo, pero nadie había desarrollado un dispositivo que acercara a las perovskitas al umbral comercial de una vida útil de 20 años.
Zhao y sus colegas realizaron docenas de permutaciones de estos diseños, cambiando detalles minuciosos en la geometría, variando el número de capas y probando docenas de combinaciones de materiales. Cada diseño ingresó a la caja de luz, donde podían irradiar dispositivos sensibles con una luz brillante implacable y medir la disminución de su rendimiento con el tiempo.
En el otoño de ese año, cuando la primera ola de la pandemia disminuyó y los investigadores regresaron a sus laboratorios para atender sus experimentos en equipos cuidadosamente coordinados, Zhao notó algo inusual y extraño en los datos. Un conjunto de dispositivos todavía parecía estar funcionando cerca de la máxima eficiencia.
“No ha habido prácticamente ninguna disminución después de casi seis meses”, dijo.
Fue entonces cuando se dio cuenta de que necesitaba una forma de probar su dispositivo más rápido de lo que le permitiría su experiencia en tiempo real.
«La vida útil que queremos es de alrededor de 30 años, pero no puede tomar 30 años para probar su dispositivo», dijo Zhao. “Así que necesitamos una forma de predecir esa vida útil en un marco de tiempo razonable. Por eso es muy importante este envejecimiento acelerado.
El nuevo método de prueba acelera el proceso de envejecimiento al iluminar el dispositivo mientras sopla calor a través de él. Este proceso acelera lo que sucedería naturalmente después de años de exposición regular. Los investigadores eligieron cuatro temperaturas de envejecimiento y midieron los resultados en estos cuatro flujos de datos diferentes, desde la temperatura de referencia de un día típico de verano hasta un extremo de 230 grados.[{» attribute=»»>Fahrenheit, higher than the boiling point of water.
They then extrapolated from the combined data and forecast the device’s performance at room temperature over tens of thousands of hours of continuous illumination. The results showed a device that would perform above 80 percent of its peak efficiency under continuous illumination for at least five years at an average temperature of 95 degrees Fahrenheit. Using standard conversion metrics, Loo said that’s the lab equivalent of 30 years of outdoor operation in an area like Princeton, NJ.
Berry of NREL concurred. “It’s very credible,” he said. “Some people are still going to want to see it play out. But this is much more credible science than a lot of other attempts at forecasting.”
The Michael Jordan of solar cells
Perovskite solar cells were pioneered in 2006, with the first published devices following in 2009. Some of the earliest devices lasted only seconds. Others minutes. In the 2010s the device lifetimes grew to days and weeks and finally months. Then in 2017, a group from Switzerland published a groundbreaking paper on a PSC that lasted for one full year of continuous illumination.
Meanwhile, the efficiency of these devices has skyrocketed over the same period. While the first PSC showed a power-conversion efficiency of less than 4 percent, researchers boosted that metric nearly tenfold in as many years. It was the fastest improvement scientists had seen in any class of renewable-energy technology to date.
So why the push for perovskites? Berry said a combination of recent advances make them uniquely desirable: newly high efficiencies, an extraordinary “tunability” that allows scientists to make highly specific applications, the ability to manufacture them locally with low energy inputs, and now a credible forecast of extended life coupled with a sophisticated aging process to test a wide array of designs.
Loo said it’s not that PSCs will replace silicon devices so much that the new technology will complement the old, making solar panels even cheaper, more efficient, and more durable than they are now, and expanding solar energy into untold new areas of modern life. For example, her group recently demonstrated a completely transparent perovskite film (having different chemistry) that can turn windows into energy-producing devices without changing their appearance. Other groups have found ways to print photovoltaic inks using perovskites, allowing form factors scientists are only now dreaming up.
But the main advantage in the long run, according to both Berry and Loo: Perovskites can be manufactured at room temperature, whereas silicon is forged at around 3000 degrees Fahrenheit. That energy has to come from somewhere, and at the moment that means burning a lot of fossil fuels.
Berry added this: Because scientists can tune perovskite properties easily and broadly, they allow disparate platforms to work smoothly together. That could be key in wedding silicon with emerging platforms such as thin-film and organic photovoltaics, which have also made great progress in recent years.
“It’s sort of like Michael Jordan on the basketball court,” he said. “Great on its own, but it also makes all the other players better.”
Reference: “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” by Xiaoming Zhao, Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Tianjun Liu, Rudolph Holley, Guangming Cheng, Nan Yao, Feng Gao and Yueh-Lin Loo, 16 June 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn5679
The paper “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” was published with support from the National Science Foundation; the U.S. Department of Energy, via Brookhaven National Laboratory; the Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Functional Materials; and the Princeton Imaging and Analysis Center. In addition to Loo and Zhao, contributing authors include Tianjun Liu and Feng Gao, both from Linköping University; and Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng and Nan Yao, all from Princeton University.