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Las celdas solares tradicionales están hechas de silicio, que tiene buena eficiencia y estabilidad, pero es relativamente costosa de fabricar y solo se puede fabricar en paneles rígidos.
Las celdas solares de perovskita ofrecen una alternativa intrigante; se pueden imprimir con tintas, lo que las hace de bajo costo, alta eficiencia, delgadas, livianas y flexibles. Sin embargo, se han quedado atrás de las células solares de silicio en eficiencia y, lo que es más importante, en estabilidad, descomponiéndose en condiciones ambientales normales.
Los nuevos materiales que contienen metales llamados ferrocenos podrían ayudar con estos problemas. Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) han agregado ferrocenos de fabricación imperial a las células solares de perovskita, mejorando enormemente su eficiencia y estabilidad. Los resultados se publican hoy en la revista Science .
El coautor principal, el profesor Nicholas Long, del Departamento de Química de Imperial, dijo: "Las células de silicio son eficientes pero costosas, y necesitamos con urgencia nuevos dispositivos de energía solar para acelerar la transición a la energía renovable. Las células de perovskita estables y eficientes podrían finalmente permitir energía solar para ser utilizada en más aplicaciones, desde alimentar el mundo en desarrollo hasta cargar una nueva generación de dispositivos portátiles.
"Nuestra colaboración con colegas en Hong Kong fue maravillosamente fortuita, y surgió después de que di una charla sobre nuevos compuestos de ferroceno y me reuní con el Dr. Zonglong Zhu de CityU, quien me pidió que le enviara algunas muestras. A los pocos meses, el equipo de CityU nos dijo que Los resultados fueron emocionantes y nos pidieron que enviáramos más muestras, comenzando un programa de investigación que ha resultado en dispositivos de perovskita que son más eficientes y más estables".
El poder de los ferrocenos
La perovskita forma la capa de "recolección de luz" de los dispositivos de células solares. Sin embargo, estos dispositivos han sido menos eficientes para convertir la energía solar en electricidad que las células solares basadas en silicio, principalmente porque los electrones son menos 'móviles': tienen menos capacidad para moverse de la capa de recolección a las capas de conversión de electricidad.
Los ferrocenos son compuestos con hierro en su centro, rodeados por anillos intercalados de carbono. La estructura única del ferroceno fue reconocida por primera vez por el propio Profesor Geoffrey Wilkinson, ganador del Premio Nobel de Imperial, en 1952, y los ferrocenos todavía se están investigando en todo el mundo hoy en día por sus propiedades únicas.
Una propiedad que les otorga su estructura es una excelente riqueza de electrones, que en este caso permite que los electrones se muevan más fácilmente de la capa de perovskita a las capas posteriores, mejorando la eficiencia de convertir la energía solar en electricidad.
Las pruebas realizadas por el equipo de CityU y en laboratorios comerciales muestran que la eficiencia de los dispositivos de perovskita con una capa añadida de ferroceno puede alcanzar el 25 %, acercándose a la eficiencia de las celdas de silicio tradicionales.
Dos pájaros con una piedra
Pero este no es el único problema que resuelven los materiales a base de ferroceno. El equipo de Imperial ha estado experimentando con la unión de diferentes grupos químicos a los anillos de carbono del ferroceno, y después de enviar al equipo de Hong Kong varias versiones de estos, realizados por la estudiante de doctorado Stephanie Sheppard, los colaboradores descubrieron una versión que mejora significativamente la unión de los capas de perovskita al resto del dispositivo.
Esta potencia de conexión adicional mejoró la estabilidad de los dispositivos, lo que significa que mantuvieron más del 98 % de su eficiencia inicial después de operar continuamente a máxima potencia durante 1500 horas. La eficiencia y la estabilidad obtenidas gracias a la adición de una capa de ferroceno acercan estos dispositivos de perovskita a los estándares internacionales actuales para las celdas de silicio tradicionales.
El investigador principal, el Dr. Zonglong Zhu de CityU, dijo: "Somos el primer equipo en impulsar con éxito la célula solar de perovskita invertida a una eficiencia récord del 25% y pasar la prueba de estabilidad establecida por la Comisión Electrotécnica Internacional".
El equipo ha patentado su diseño y espera licenciarlo, y eventualmente traer sus dispositivos de perovskita al mercado. Mientras tanto, están experimentando con diferentes diseños de ferroceno para mejorar aún más el rendimiento y la estabilidad de los dispositivos.
Fuente y acceso al trabajo de investigación:
Zhen Li, Bo Li, Xin Wu, Stephanie A. Sheppard, Shoufeng Zhang, Danpeng Gao, Nicholas J. Long, Zonglong Zhu. Interfaces con funcionalidad organometálica para células solares de perovskita invertida de alta eficiencia . Ciencia , 2022; 376 (6591): 416 DOI: 10.1126/ciencia.abm8566