Una capa protectora ultrafina resulta suficiente para proteger una célula solar de perovskita de los efectos nocivos del espacio y endurecerla contra los factores ambientales en la Tierra, según una investigación recientemente publicada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU.
Financiado por el Fondo de mejora de la capacidad energética operativa (OECIF) del Departamento de Defensa de EE. UU., la investigación del NREL se realizó para el Laboratorio de investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) para desarrollar fuentes de energía innovadoras de bajo costo para impulsar a las fuerzas armadas en todo el mundo.
La investigación es el esfuerzo más reciente para determinar la efectividad de las perovskitas para su uso en aplicaciones espaciales, donde estarían expuestas a protones, partículas alfa, oxígeno atómico y otros factores estresantes. La capacidad de usar perovskitas para generar energía en el espacio es tentadora porque ofrecen una opción más económica y liviana frente a otras tecnologías con el potencial de lograr eficiencias similares a las de las tecnologías fotovoltaicas espaciales actuales.
Al igual que en la Tierra, las células solares de perovskita deben tener una durabilidad adecuada. Sin embargo, el entorno en el espacio es significativamente diferente. Si bien los mayores desafíos en la Tierra están relacionados con el clima, en el espacio las perovskitas deben abordar los problemas que surgen del bombardeo de radiación y los cambios extremos de temperatura. Las perovskitas muestran signos de una mejor tolerancia a la radiación que muchas otras células solares, pero aún quedan muchas pruebas por realizar.
El año pasado, los investigadores realizaron simulaciones para demostrar cómo la exposición a la radiación en el espacio afectaría a las perovskitas. Determinaron que la tecnología de próxima generación funcionaría en el espacio, pero señalaron la necesidad de encapsular la célula de alguna manera para brindar protección adicional.
En la investigación de seguimiento, Ahmad Kirmani, autor principal del último Energía de la naturaleza El documento, dijo que las simulaciones demostraron que una capa de óxido de silicio de un micrón de espesor preservaría la eficiencia y aumentaría la vida útil de las células solares de perovskita en el espacio. En comparación, la capa de micras de espesor es unas 100 veces más delgada que un cabello humano típico.
Kirmani dijo que la capa de óxido de silicio podría reducir el peso de las barreras de radiación convencionales utilizadas para otras células solares en más del 99% y sirve como un primer paso hacia el diseño de envases livianos y de bajo costo para las perovskitas.
Los protones de alta energía viajan a través de las células solares de perovskita sin causar mucho daño. Los protones de baja energía, sin embargo, son más abundantes en el espacio y causan más estragos en las células de perovskita al sacar los átomos de su lugar y hacer que los niveles de eficiencia disminuyan constantemente. Los protones de energía más baja interactúan con la materia mucho más fácilmente y la adición de la capa de óxido de silicio protegió a la perovskita del daño incluso de los protones de baja energía.
«Pensamos que sería imposible que el óxido de silicio brindara protección contra partículas de largo alcance que penetran por completo, como los protones de alta energía y las partículas alfa», dijo Kirmani. «Sin embargo, la capa de óxido también resultó ser una barrera sorprendentemente buena contra ellos».
Los resultados se detallan en el artículo «Capas de barrera de óxido metálico para fotovoltaica de perovskita terrestre y espacial». Los coautores son David Ostrowski, Kaitlyn VanSant, Rosemary Bramante, Karen Heinselman, Jinhui Tong, Bart Stevens, William Nemeth, Kai Zhu y Joseph Luther, de NREL; y varios colaboradores clave que trabajan con el equipo de la Universidad del Norte de Texas y la Universidad de Oklahoma. VanSant ocupa la posición única de ser un investigador postdoctoral en la NASA que realiza investigaciones en NREL.
La exposición a una corriente de protones de baja energía hizo que las células solares de perovskita sin protección perdieran solo alrededor del 15% de su eficiencia inicial, encontraron los investigadores. Una mayor concentración de partículas destruyó las células, mientras que las perovskitas protegidas demostraron lo que los científicos describieron como «una notable resistencia». Con la barrera simple, las células no mostraron daño.
Además de hacer que las células sean más resistentes en el espacio, los investigadores también probaron cómo la barrera podría brindar beneficios en aplicaciones más convencionales. Luego expusieron las células solares de perovskita a un ambiente de humedad y temperatura no controlado durante varios días para imitar las condiciones de almacenamiento. Las células protegidas conservaron su eficiencia inicial del 19 %, mientras que las células desprotegidas mostraron una degradación significativa, del 19,4 % al 10,8 %. La capa de óxido también brindó protección cuando otras composiciones de perovskita típicamente más sensibles a la humedad se expusieron al agua.
Además, las células solares de perovskita se sometieron a una cámara de prueba donde fueron bombardeadas con fotones ultravioleta similares al entorno en la órbita terrestre baja. Los fotones interactuaron con el oxígeno para crear oxígeno atómico. Las células desprotegidas fueron destruidas después de ocho minutos. Las células protegidas mantuvieron su eficiencia inicial después de 20 minutos y solo tuvieron una ligera caída después de 30 minutos.
Las simulaciones y los experimentos revelaron que al reducir el daño de la radiación, la vida útil de las células solares protegidas utilizadas en las órbitas de la Tierra y el espacio profundo aumentaría de meses a años.
«La eficiencia de conversión de energía y la estabilidad operativa de las células solares de perovskita han sido las dos áreas de enfoque principales para la comunidad hasta ahora», dijo. «Hemos progresado mucho y creo que hemos llegado al punto de que podríamos estar bastante cerca de alcanzar los objetivos necesarios para la industrialización. Sin embargo, para permitir realmente esta entrada en el mercado, el empaque es el próximo objetivo».
Debido a que las células solares de perovskita se pueden depositar sobre un sustrato flexible, la tecnología emergente, junto con la capa protectora de óxido de silicio, permite su uso para diversas aplicaciones terrestres, como la alimentación de drones.
NREL es el principal laboratorio nacional del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación y el desarrollo de energías renovables y eficiencia energética. NREL es operado para el DOE por Alliance for Sustainable Energy LLC.
