Durante años, las células solares de perovskita han sido la provocación favorita del mundo de las energías renovables. Son baratos. Son fáciles de hacer. Siguen batiendo récords de eficiencia en el laboratorio. Suena perfecto, ¿verdad? Hay un problema, uno grande. Se desmoronan. Rápido.
La célula solar de perovskita se dañará rápidamente cuando se exponga a la humedad al aire libre. Esta alta tasa de daño es causada por los efectos combinados de la humedad, el calor y la luz solar, y generalmente ocurre dentro de unas pocas semanas o meses después de la exposición inicial. La celda, que alguna vez se consideró una tecnología prometedora, ya no cumplirá con los estándares de un producto solar de calidad para uso en el campo. Por lo tanto, si bien los paneles solares de perovskita han generado mucha publicidad, no existen aplicaciones comerciales para ellos en este momento (por ejemplo, en tejados o en grandes instalaciones solares).
Recientemente, un número creciente de científicos e ingenieros de materiales en nuevas empresas creen haber descubierto un material inesperado que podría usarse para superar los problemas de degradación de las células solares de perovskita: el grafeno. El grafeno tiene algunas propiedades estructurales únicas que le permiten superar las limitaciones de otros materiales (por ejemplo, vidrio, plásticos, metales) utilizados en la construcción de células solares.
¿Qué tiene de especial una lámina de un átomo de espesor?
El grafeno es básicamente una sola capa de átomos de carbono, dispuestos como alambre de gallinero. Es casi completamente transparente, más delgado que cualquier cosa que puedas imaginar, pero unas 200 veces más fuerte que el acero. También resulta ser el mejor conductor eléctrico jamás imaginado por la naturaleza, al menos en entornos de laboratorio.
Ahora, aquí está la parte inteligente. Los investigadores descubrieron que se puede colocar grafeno encima de una célula de perovskita o mezclar pequeños trozos del mismo en las capas que rodean la perovskita. Esa fina manta de carbono hace tres cosas útiles a la vez.
En primer lugar, actúa como un impermeable hermético. El oxígeno y el vapor de agua no pueden atravesar la red de grafeno. Solo eso detiene muchas de las reacciones químicas que matan las células de perovskita. Algunos equipos han visto morir células desprotegidas en unos pocos cientos de horas, mientras que las recubiertas de grafeno siguen funcionando durante miles de horas.
En segundo lugar, el grafeno es sorprendente a la hora de eliminar las cargas eléctricas. Dentro de una célula solar en funcionamiento, la luz solar crea pares de electrones cargados negativamente y "agujeros" cargados positivamente. Si permanecen dentro de la perovskita durante demasiado tiempo, causan problemas: se recombinan de manera inútil o desencadenan reacciones secundarias. El superpoder del grafeno es capturar esas cargas y sacarlas rápidamente, lo que protege la célula y aumenta ligeramente su producción de energía.
En tercer lugar, y esto sorprendió a mucha gente, el grafeno hace que la perovskita sea físicamente más resistente. La exposición de un cristal a la luz solar durante el día seguida de enfriamiento durante la noche crea un ciclo repetido de calentamiento y enfriamiento con una expansión mínima, y esta flexión repetida finalmente producirá grietas microscópicas a lo largo de los límites de los granos del cristal de azúcar debido al equivalente de congelación y descongelación en las aceras, etc. El grafeno es un material increíblemente rígido que provocará menos creación de grietas porque soporta las áreas débiles de la estructura cristalina. Si se forma una grieta, no viajará tan rápido a través de la estructura cristalina.
De curiosidades de laboratorio a algo que casi puedes comprar
No hace mucho todo esto era puramente académico. Un estudiante de doctorado pasaría meses fabricando una pequeña célula de perovskita hecha a mano, colocaría cuidadosamente un trozo de grafeno encima y luego realizaría unos cientos de horas de pruebas. Funcionó, pero nadie sabía cómo hacerlo a escala del mundo real.
Eso está cambiando. Los ingenieros han descubierto formas de laminar láminas de grafeno prefabricadas en módulos de perovskita de varios centímetros de ancho. Otros están cultivando grafeno directamente en la célula utilizando métodos de baja temperatura. Y algunos de los trabajos más prácticos implican mezclar fragmentos de grafeno cortados (a veces llamados nanoplaquetas de grafeno) en capas pegajosas e imprimibles encima y debajo de la perovskita. Ese enfoque no necesita una hoja de grafeno perfecta e intacta. Una red desordenada de diminutos copos de grafeno aún le brinda la mayoría de los beneficios, a una fracción del costo.
Un puñado de pequeñas empresas, principalmente en China y Europa, están construyendo silenciosamente líneas de producción piloto utilizando estas ideas. Todavía no están anunciando grandes cifras (la industria sigue siendo cautelosa), pero el ambiente en las recientes conferencias sobre energía ha cambiado. La gente está empezando a creer que esto podría funcionar fuera de una sala limpia.
Qué significa esto para su factura de electricidad
Si las células de perovskita reforzadas con grafeno alguna vez llegan a producirse en masa, la economía se volverá interesante. Los paneles de silicio ya son baratos (entre 10 y 15 centavos por vatio), pero para fabricarlos se necesitan hornos súper calientes, productos químicos desagradables y vidrio rígido. Las células de perovskita, por otro lado, se pueden imprimir como un periódico a temperatura cercana a la ambiente. Las materias primas son abundantes y baratas. ¿Costo potencial? Algunos analistas susurran cinco centavos por vatio o incluso menos.
Esto reduciría aproximadamente a la mitad el precio de la electricidad solar. Pero aquí está el truco: nadie comprará un panel que falle después de dos años. Las empresas de servicios públicos y los propietarios de viviendas quieren garantías de 25 años. Sin grafeno, la perovskita ni siquiera podría soñar con eso. Con el grafeno, los primeros prototipos conservan ahora más del 90 por ciento de su producción original después de varios miles de horas de pruebas continuas y brutales. Todavía no son 25 años, pero son mil veces más que la tecnología hace apenas cinco años.
Más que solo paneles rígidos
Otra razón por la que la gente está entusiasmada: la flexibilidad. Las obleas de silicio se rompen si las miras mal. Pero las capas de perovskita y grafeno se pueden imprimir sobre finas láminas de plástico o metal. Eso abre nuevos usos salvajes. Imagínese células solares laminadas en el techo curvo de un automóvil eléctrico, cosidas en una mochila para cargar su teléfono o envueltas alrededor del ala de un dron. Algunos arquitectos están jugando con ventanas de perovskita semitransparentes que generan energía y al mismo tiempo dejan pasar la luz.
Ya nada de eso es ciencia ficción. Los prototipos han sobrevivido a miles de curvas sin sudar. La combinación de la eficiencia de la perovskita y la dureza y conductividad del grafeno está desbloqueando aplicaciones que el silicio simplemente no puede alcanzar.
Aún queda trabajo por hacer, pero el camino es cada vez más claro
Seamos honestos: el grafeno en sí no es perfecto. Producir grafeno de una sola capa de alta calidad de manera consistente y económica es aún más difícil de lo que parece. Los precios han bajado mucho durante la última década, pero aún no son lo suficientemente bajos como para comprar paneles solares baratos. Y nadie ha demostrado que un panel de grafeno-perovskita pueda durar realmente 20 años al aire libre. Ese tipo de datos lleva tiempo.
Aún así, el impulso es real. Más de cien familias de patentes cubren actualmente combinaciones de grafeno-perovskita. El dinero de inversión está fluyendo hacia nuevas empresas de las que antes se reían en las reuniones de presentación. Incluso algunos grandes fabricantes de paneles de silicio están financiando silenciosamente la investigación y el desarrollo de perovskita, en caso de que la vieja tecnología sea superada.
Eso no es una garantía. Pero es la señal más esperanzadora que las células solares de perovskita han visto en mucho tiempo.
