Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Nanjing, en colaboración con el productor de células solares Renshine Solar, afirma que se ha producido un avance notable en la tecnología fotovoltaica, ya que han creado un módulo solar de perovskita con una superficie de 810 cm² y una eficiencia de conversión de energía solar en electricidad del 24,0%. Este resultado ha sido verificado por TÜV SÜD y es un récord mundial en la creación de módulos de perovskitas de más de 800 cm² de superficie. Los hallazgos han sido publicados en la revista "Nature".
Más allá del laboratorio: el desafío de la escala
Las células solares de perovskita han deslumbrado a los investigadores durante mucho tiempo con sus rápidos aumentos de eficiencia-de sólo el 3,8 % en 2009 a más del 25 % en dispositivos a escala de laboratorio-en la actualidad. Pero el camino desde una pequeña célula de laboratorio hasta un gran módulo comercialmente viable ha estado plagado de obstáculos. A medida que los dispositivos crecen, los defectos se multiplican, los recubrimientos se vuelven desiguales y la eficiencia cae en picado. Esta "brecha de escala" ha sido la mayor barrera para la comercialización de perovskita.
El equipo de la Universidad de Nanjing finalmente ha recorrido esta distancia con éxito. Su módulo, de 810 cm²; similar a una hoja de papel común, ha producido una eficiencia récord del 24,2% para el módulo probado en condiciones de laboratorio, mientras que la certificación independiente confirmó una eficiencia del 24,0%. El módulo también ha mostrado un voltaje de circuito abierto-de 53,46 V, una corriente de cortocircuito-de 0,436 A y un factor de llenado del 83,40 %. Mientras funciona el seguimiento del punto de máxima potencia, la salida del módulo es estable en el nivel de 19,4 W.
Aún más impresionante, el equipo fabricó 150 módulos con un área total de 0,72 m²-un producto a escala real-de un metro-que logró una potencia de salida promedio de 144 W. El campeón entre ellos alcanzó una eficiencia certificada del 22,0 % y una salida de 158,4 W, estableciendo un récord de eficiencia a escala de un metro-.
El avance técnico: repensar la pasivación de superficies
¿Qué hizo posible este logro? La respuesta está en un replanteamiento inteligente de la pasivación de superficies:-el proceso de tratamiento de defectos en el límite de la capa de perovskita que atrapa a los portadores de carga y acelera la recombinación, reduciendo el voltaje y la corriente que un dispositivo puede extraer de la luz solar.
La pasivación convencional se basa en haluros de amonio (AHP), que funcionan bien en el laboratorio pero se vuelven problemáticos a escala. Cuando se combina con el recubrimiento-de matriz-, el método de deposición continua utilizado para la fabricación-de áreas grandes-AHP tiende a distribuirse de manera desigual, dejando algunas regiones sobre-tratadas y otras poco-pasivadas. También son sensibles a la humedad, lo que normalmente obliga a los fabricantes a procesar módulos de escala de medidor dentro de atmósferas inertes, lo que aumenta la complejidad y el costo del equipo.
El equipo chino adoptó un enfoque fundamentalmente diferente. En lugar de depender del pasivador para compensar una superficie desfavorable, diseñaron la química de la superficie de la película de perovskita.antespasivarlo. Utilizando un sistema disolvente con alta presión de vapor de saturación, controlaron la cristalización de la película para producir una superficie naturalmente enriquecida en yoduro de formamidinio (FAI). Luego trataron esa superficie adaptada con dioleato de plomo-un carboxilato de plomo (LCP) químicamente estable-en lugar de haluros de amonio convencionales.
Los hallazgos fueron revolucionarios. La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X- demostró la presencia de enlaces químicos entre el LCP y la superficie rica en FAI-, mientras que el análisis de fotoluminiscencia mostró que la vida útil del portador aumentó de 264 nanosegundos a 706 nanosegundos, lo que significa que la captura del portador disminuyó considerablemente y la calidad de pasivación mejoró significativamente. A diferencia de las películas tratadas con AHP, que presentaban deposiciones desiguales y defectos a escala macro, el tratamiento LCP dio como resultado películas hidrofóbicas continuas caracterizadas por una resistencia mejorada a la humedad, el calor y la radiación UV.
Durabilidad: la pieza que falta del rompecabezas
La eficiencia es sólo la mitad de la historia. Para que cualquier tecnología fotovoltaica tenga éxito comercial, debe soportar décadas de condiciones climáticas reales-. En este caso, el enfoque LCP arrojó resultados igualmente sorprendentes.
En las pruebas estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), los módulos tratados con LCP- mostraron una resistencia notable. Después de 1300 horas de exposición al calor-húmedo, los módulos LCP perdieron solo el 2 % de su eficiencia inicial-en comparación con el 39 % de los módulos tratados con AHP-. Después de 300 ciclos térmicos, la degradación fue insignificante. Después de 2200 horas de seguimiento del punto de máxima potencia, los módulos conservaron el 96% de su eficiencia inicial. También conservaron el 95% del rendimiento inicial después del envejecimiento con luz UV. Todos los módulos modificados por LCP-pasaron el conjunto completo de pruebas de confiabilidad IEC 61215-el estándar internacional utilizado para calificar la durabilidad de los módulos fotovoltaicos terrestres. El monitoreo de campo mostró que su producción de energía específica excedía la de los módulos TOPCon de silicio.
Este avance conlleva profundas implicaciones para la industria solar mundial.
En primer lugar, demuestra que la energía fotovoltaica de perovskita se puede fabricar mediante procesamiento de aire ambiente-en lugar de requerir entornos inertes rigurosamente controlados. Esto elimina una importante barrera de costos para la producción a escala-industrial.
En segundo lugar, el enfoque aborda la compensación entre pasivación-versus-conductividad-que durante mucho tiempo ha limitado el beneficio de las capas de tratamiento de bloqueo puramente-de defectos. Al suprimir los defectos electrónicos y mejorar el transporte del transportista a través de la interfaz, la estrategia LCP logra lo que muchos pensaban imposible: un mejor rendimiento a mayor escala.
En tercer lugar, y quizás lo más significativo, el éxito del equipo a escala-métrica-con 150 módulos producidos y probados-demuestra que la tecnología se puede traducir desde células de investigación a arquitecturas-relevantes para la fabricación. Como señalaron los investigadores, sus resultados demuestran una estrategia de fabricación que combina una química de superficie diseñada deliberadamente con un pasivador estable-compatible con el ambiente-un enfoque que podría ayudar a cerrar la brecha entre las células de perovskita de laboratorio altamente optimizadas y los módulos fabricados mediante recubrimiento continuo a escala industrial-.
El camino por delante
El hito de eficiencia del 24 % para módulos de perovskita de gran-área no es un punto final-sino un punto de referencia. Los observadores de la industria señalan que, con un perfeccionamiento continuo, se pueden alcanzar módulos comerciales de 2 a 3 m² que alcancen una eficiencia del 26 %. Mientras tanto, las arquitecturas en tándem de perovskita-silicio y todas las-perovskitas en tándem continúan superando los límites, y algunas configuraciones ya superan el 26 % de eficiencia en escalas más pequeñas.
Lo que la colaboración Renshine Solar de la Universidad de Nanjing-ha demostrado es que la energía fotovoltaica con perovskita ya no es sólo una curiosidad de laboratorio. Se están convirtiendo en una realidad fabricable, duradera y cada vez más eficiente. Mientras el mundo se apresura a descarbonizar sus sistemas energéticos, este avance ofrece un poderoso recordatorio de que la próxima generación de tecnología solar no está a décadas de distancia-sino que se está construyendo ahora mismo, un récord a la vez.
