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El término perovskita no se refiere a un material específico, como el silicio o el telururo de cadmio, otros de los principales contendientes en el campo fotovoltaico, sino a toda una familia de compuestos. La familia de perovskita de materiales solares recibe su nombre por su similitud estructural con un mineral llamado perovskita, que fue descubierto en 1839 y lleva el nombre del mineralogista ruso LA Perovski.
El mineral original perovskita, que es óxido de calcio y titanio (CaTiO3), tiene una configuración cristalina distintiva. Tiene una estructura de tres partes, cuyos componentes se denominan A, B y X, en los que se entrelazan las redes de los diferentes componentes. La familia de las perovskitas consta de las muchas combinaciones posibles de elementos o moléculas que pueden ocupar cada uno de los tres componentes y formar una estructura similar a la de la propia perovskita original. (Algunos investigadores incluso modifican un poco las reglas al nombrar «perovskitas» a otras estructuras cristalinas con elementos similares, aunque los cristalógrafos lo desaprueban).
“Puedes mezclar y combinar átomos y moléculas en la estructura, con ciertos límites. Por ejemplo, si intenta insertar una molécula demasiado grande en la estructura, la distorsionará. Eventualmente, podría hacer que el cristal 3D se divida en una estructura en capas 2D o perder la estructura ordenada por completo”, dice Tonio Buonassisi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT y director del Laboratorio de Investigación Fotovoltaica. «Las perovskitas son altamente ajustables, como un tipo de estructura de cristal de construcción propia», dice.
Esta estructura de redes entrelazadas está formada por iones o moléculas cargadas, dos de las cuales (A y B) tienen carga positiva y la otra (X) tiene carga negativa. Los iones A y B suelen tener tamaños bastante diferentes, siendo el A más grande.
Dentro de la categoría general de perovskitas, hay varios tipos, incluidas las perovskitas de óxido metálico, que han encontrado aplicaciones en catálisis y en almacenamiento y conversión de energía, como en celdas de combustible y baterías de metal-aire. Pero un foco principal de la actividad de investigación durante más de una década ha sido las perovskitas de haluro de plomo, según Buonassisi.
Dans cette catégorie, il existe encore une légion de possibilités, et les laboratoires du monde entier s’efforcent de trouver les variations qui présentent les meilleures performances en termes d’efficacité, de coût et de durabilité – ce qui a jusqu’à présent été el más difícil. del árbol
Muchos equipos también se han centrado en variantes que eliminan el uso de plomo, para evitar su impacto ambiental. Buonassisi señala, sin embargo, que «consistentemente con el tiempo, los dispositivos basados en plomo continúan mejorando en rendimiento, y ninguna de las otras composiciones se ha acercado en términos de rendimiento electrónico». Se continúa trabajando en la exploración de alternativas, pero hasta ahora ninguna puede competir con las versiones de haluro de plomo.
Una de las grandes ventajas de las perovskitas es su alta tolerancia a los defectos estructurales, dice. A diferencia del silicio, que requiere una pureza extremadamente alta para funcionar bien en dispositivos electrónicos, las perovskitas pueden funcionar bien incluso con muchas imperfecciones e impurezas.
Encontrar nuevas composiciones candidatas prometedoras para las perovskitas es un poco como buscar una aguja en un pajar, pero recientemente los investigadores han desarrollado un sistema de aprendizaje automático que puede simplificar en gran medida este proceso. Este nuevo enfoque podría conducir a un desarrollo mucho más rápido de nuevas alternativas, explica Buonassisi, coautor de esta investigación.
Si bien las perovskitas siguen siendo muy prometedoras y varias empresas ya se están preparando para comenzar la producción comercial, la sostenibilidad sigue siendo el mayor obstáculo al que se enfrentan. Mientras que los paneles solares de silicio retienen hasta el 90 % de su energía después de 25 años, las perovskitas se degradan mucho más rápido. Se ha logrado un gran progreso: las muestras iniciales duraron solo unas pocas horas, luego semanas o meses, pero las nuevas formulaciones tienen vidas útiles de hasta unos pocos años, adecuadas para algunas aplicaciones donde la longevidad no es esencial.
Desde una perspectiva de investigación, dice Buonassisi, una de las ventajas de las perovskitas es que son relativamente fáciles de fabricar en el laboratorio: los componentes químicos encajan fácilmente. Pero esta también es su desventaja: “El material se une muy fácilmente a temperatura ambiente”, dice, “pero también se separa muy fácilmente a temperatura ambiente. ¡Así es la vida!»
Para resolver este problema, la mayoría de los investigadores se enfocan en usar varios tipos de materiales protectores para encapsular la perovskita, protegiéndola de la exposición al aire y la humedad. Pero otros están investigando los mecanismos exactos que conducen a esta falla, con la esperanza de encontrar formulaciones o tratamientos inherentemente más sólidos. Un hallazgo clave es que un proceso llamado autocatálisis es en gran parte responsable de la avería.
En la autocatálisis, tan pronto como una parte del material comienza a degradarse, sus productos de reacción actúan como catalizadores para comenzar a degradar las partes vecinas de la estructura y se inicia una reacción desbocada. Existía un problema similar en las primeras investigaciones sobre algunos otros materiales electrónicos, como los diodos orgánicos emisores de luz (OLED), y finalmente se resolvió agregando pasos de purificación adicionales a las materias primas, de modo que se pudiera encontrar una solución similar en el caso. de perovskitas, sugiere Buonassisi.
Buonassisi y sus co-investigadores completaron recientemente un estudio que muestra que una vez que las perovskitas alcanzan una vida útil de al menos una década, gracias a su costo inicial mucho más bajo, serían suficientes para hacerlas económicamente viables como sustituto del silicio en grandes redes de servicios públicos. . granjas solares a gran escala.
En general, el progreso en el desarrollo de la perovskita ha sido impresionante y alentador, dice. Con solo unos pocos años de trabajo, ya ha logrado eficiencias comparables a los niveles que el telururo de cadmio (CdTe), «que existe desde hace mucho más tiempo, todavía lucha por alcanzar», dice. «La facilidad con la que se logra este rendimiento superior en este nuevo material es casi asombrosa». Comparando el tiempo de investigación dedicado a una mejora del 1% en la eficiencia, dice, el progreso en perovskitas ha sido entre 100 y 1000 veces más rápido que en CdTe. “Esa es una de las razones por las que es tan emocionante”, dice.
