La creciente demanda mundial de electricidad hace imperativo el desarrollo de alternativas a los combustibles fósiles, tanto para afrontar una próxima escasez de suministro como para frenar los efectos del cambio climático. Las renovables son, como fuente natural inagotable, la llave del futuro de esta industria, y la solar en particular uno de sus segmentos más prometedores. El silicio ha sido hasta ahora el material más utilizado para la construcción de los paneles solares, pero existen avances y nuevas líneas de investigación en torno a un material muy prometedor: la perovskita.
Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la potencia energética proveniente de fuentes renovables duplicará su capacidad en los próximos cinco años, impulsada principalmente por el incremento de la electricidad solar fotovoltaica. Este mercado crece de forma imparable y está aún lejos de alcanzar su tope: la progresiva disminución de costes de producción y distribución y el compromiso de las grandes potencias mundiales por fomentar las fuentes limpias e inagotables hacen de ellas una apuesta segura de futuro.
Cada vez más viviendas, comercios e infraestructuras industriales están dotados de instalaciones de generación distribuida, lo que supone un cambio de paradigma en los proveedores y, por lo tanto, un gran desafío para el sector. Esta transición energética ha supuesto también una oportunidad de desarrollo e investigación alternativa solar. Hasta ahora, el silicio ha sido dominante del mercado fotovoltaico, pero en los últimos años se han dado grandes pasos en torno a la perovskita, un material más eficiente (con el silicio, solo el 20% de la energía del sol se convierte en electricidad), accesible y menos costoso. Pedro Atienzar, científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y Juan Bisquert, director del Instituto de Materiales Avanzados (INAM) de la Universitat Jaume I, nos hablan de las posibilidades que este compuesto abre ante este nuevo escenario.
Del silicio a la perovskita
Algunos de los descubridores de la perovskita fotovoltaica: Nam-Gyu Park, Mercouri Kanatzidis y Tsutomu Miyasaka (2013).
En la actualidad, la mayoría de placas fotovoltaicas están formadas de silicio, un componente con propiedades de semiconductividad que favorecen el efecto de transformar la energía de los fotones presentes en la luz solar en energía eléctrica. Este proceso, respetuoso con el medioambiente, se logra a partir de células que sirven de mediador. “Es verdad que la tecnología del silicio se conoce desde hace varias décadas y está muy implantada”, asegura Pedro Atienzar. “Su coste ha sufrido una reducción drástica en los últimos años, lo que la convierte en una tecnología difícil de batir”. Sin embargo, la búsqueda de alternativas más económicas y eficientes está en marcha desde hace tiempo, y la perovskita da prometedoras señales de ser la clave para la fabricación de células fotovoltaicas con claras ventajas frente al silicio.
Pero ¿qué esconde exactamente este término? En materia de energía, la perovskita ya no se refiere a ese mineral descubierto en el siglo XIX en los montes Urales por Gustav Rose, y ni siquiera es un solo material. “Se trata de una estructura química conocida hace un siglo, un compuesto ternario con átomos que adoptan la forma de un octaedro, con un átomo mayor dentro y otro tipo de moléculas o átomos fuera. Como es una combinación de tres cosas, existen millones de variantes” explica Juan Bisquert, que recuerda que en “en el ámbito de la fotovoltaica, la revolución se produjo con el descubrimiento de las propiedades extraordinarias de la perovskita compuesta de plomo (Pb), yodo (I) y metilamonio (MA)”. El responsable de este hallazgo fue el científico japonés Tsutomu Miyasaka que, hace más de una década, reveló las asombrosas propiedades de la perovskita. Poco después otros investigadores, como Henry Snaith y Nam-Gyu Park, empezaron a conseguir resultados notables en la conversión de luz solar a electricidad. “La comunidad científica se dio cuenta de que ocurría algo extraordinario”, cuenta Bisquert, “y desde entonces esta investigación se ha convertido en uno de los campos con mayor impacto a nivel mundial. Ahora se publican miles de artículos cada año”.
Si se consiguen superar los actuales inconvenientes, la perovskita podría resultar un elemento revolucionario en el campo de la energía solar
Propiedades y aplicaciones
Existen ciertas cualidades contextuales a favor de la perovskita: se puede encontrar en las montañas de casi cualquier parte del planeta, su existencia es abundante y su proceso de extracción es barato y ausente de emisiones. Como nos explica Bisquert, en el caso de perovskita como compuesto (híbrida) “se pueden formar con rutas químicas de baja temperatura, a partir de materiales abundantes, y produce capas de calidad óptica y electrónica extraordinarias. Este es un hecho sin precedentes. Normalmente, sin realizar cristales de alta calidad -a miles de grados en horno como el silicio y con procesos de alto vacío- los films no obtienen la calidad adecuada. La perovskita sí lo hace, mediante preparación de vías líquidas”. Por eso, el procesado del material -el gasto de energía que requiere fabricar una celda de silicio- es más caro y complejo en comparación a una de perovskita.
En cuanto a las ventajas intrínsecas, la perovskita exhibe excelentes propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas, como señala Pedro Atienzar. “Por ejemplo, superconductividad, cuando presentan bismuto o cobre, propiedades de óptica no lineal cuando contienen neodimio o tántalo o características dieléctricas con titanio o circonio. Actualmente, una variedad que está teniendo una tremenda repercusión en el campo de las energías renovables son las perovskitas híbridas halogenadas, que contienen un catión orgánico y halógenos en la estructura, lo que les confiere unas propiedades excepcionales para absorber y transformar la radiación del espectro solar en electricidad”. “Es un semiconductor excelente”, confirma Bisquert, “con propiedades ópticas ideales, tanto para la absorción de luz como para la generación de luz en LED. A diferencia de los semiconductores clásicos con dichas características, es un material que podemos denominar blando, con enlaces débiles, con facilidad de vibraciones internas, lo que genera numerosas novedades físicas seguidas de numerosos interrogantes abiertos”.
La perovskita es un material que podemos denominar blando, con enlaces débiles, con facilidad de vibraciones internas, lo que genera numerosas novedades físicas seguidas de numerosos interrogantes abiertos.
Aunque en la actualidad concentra gran interés y está en un momento de evolución constante, las perovskitas han sido utilizadas durante bastantes años en distintas aplicaciones, como aquellas que contienen oxígeno en la estructura se emplean en celdas combustibles tipo SOFC (pilas de combustible de óxido sólido) debido a sus propiedades de transporte iónico-electrónico y catalíticas. Sin embargo, y tal como apunta Pedro Atienzar, “las perovskitas que están tomando una gran relevancia son aquellas que presentan halógenos en vez de oxígeno en la estructura. En estos momentos, su eficiencia certificada a nivel de laboratorio se encuentra por encima del 23%”, aunque matiza que “a pesar de estos datos la principal limitación para su uso a nivel comercial se encuentra en la estabilidad. Normalmente un panel solar debe durar varias décadas, pero las celdas solares basadas en estos materiales se degradan con facilidad al exponerse a humedad, temperatura, oxígeno y luz, incluso cuando se emplea un buen encapsulado”.
Líneas de investigación y desafíos del sector
Al encontrarse con un inconveniente tan señalado, muchas líneas de trabajo se afanan en encontrar la composición química que haga más estable a la perovskita en condiciones de funcionamiento, lo que podría contribuir a que este material abasteciera de energía eléctrica en cualquier país del mundo, independientemente de su grado de desarrollo. “Las condiciones ambientales afectan tremendamente su formación, con lo cual, si no se tiene en cuenta eso, la reproducibilidad es difícil”, explica Atienzar. “Actualmente tenemos abiertas dos líneas de investigación con estos dos materiales: una enfocada a su empleo como fotocatalizadores, utilizando radiación solar para transformar el agua y el CO2 en combustibles y, por otra parte, en el campo de la energía fotovoltaica estamos realizando estudios a nivel microcristalino para determinar los mecanismos que gobiernan la absorción de luz y así poder mejorar la eficiencia de este tipo de celdas solares”. Además, su equipo está llevando a cabo un proyecto para alcanzar fotocatalizadores basados en perovskitas híbridas halogenadas que, “aunque pueden ser inestables en contacto con el agua, su empleo en unas determinadas condiciones de reacción puede permitir a estos materiales convertirse en materiales con una actividad importante”. Asimismo, están estudiando su uso “para transformar el CO2, considerado actualmente como un residuo indeseable y perjudicial para el planeta, en productos de valor añadido.
Por su parte, Juan Bisquert nos habla de las investigaciones llevadas a cabo en el Instituto de Materiales Avanzados sobre las perovskitas híbridas, que comenzaron en 2013. “Es un campo fascinante que nos ha permitido emplear nuestro conocimiento sobre propiedades de dispositivos optoelectrónicos, y hemos realizado importantes aportaciones al campo de investigación”, asegura. En el año 2008, tres investigadores -además del propio Bisquert- aparecieron en la exclusiva lista ‘Highly Cited Scientist’, un hecho con pocos precedentes.
Todos estos avances, y la apuesta necesaria por las energías renovables, pueden convertir a la perovskita en la gran alternativa energética. “Podría suponer una revolución en el sector, no solo por el bajo coste y la disponibilidad de los precursores, sino porque se podría depositar de forma sencilla sobre gran variedad de superficies e incluso sobre materiales de la construcción”, aclara Pedro Atienzar, que concluye diciendo que “si se consiguen superar los actuales inconvenientes, podría resultar un elemento transformador en el campo de la energía solar”.
Han colaborado en este artículo…
Pedro Atienzar es científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Estudió Ingeniería Química en la Universidad Politécnica de Valencia (1996-2002) y realizó los estudios de doctorado en el Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC) bajo la supervisión del Catedrático Hermenegildo García. Posteriormente realizó una estancia postdoctoral de dos años (2007-2009) en el grupo de la Prof. Jenny Nelson del Departamento de Física del Imperial College London en el campo de los dispositivos fotovoltaicos, híbridos y poliméricos. En 2009 se incorporó al Instituto de Tecnología Química (ITQ) donde dirige el grupo de ‘Nanomateriales para Fotónica, Optoelectrónica y Energía’. Es coautor de alrededor de 70 artículos en revistas internacionales de alto impacto y coinventor de 6 patentes.
Juan Bisquert es catedrático de Física Aplicada y el director del Instituto de Materiales Avanzados (INAM) de la Universitat Jaume I. Ha sido autor de más de 400 artículos científicos y una serie de tres libros que incluyen el texto general ‘Physics of Solar Cells: Perovskites, Organics, and Photovoltaics Fundamentals’. Actualmente es Senior Editor del Journal of Physical Chemistry Letters. En 2019 ha sido seleccionado como uno de los investigadores con mayor impacto del mundo -Highly Cited Researchers- (número 2 en la Comunidad Valenciana), y ha sido mentor de más de una treintena de investigadores. La actividad de investigación de Bisquert siempre se ha caracterizado por intensos contactos y relaciones internacionales, y ha ganado reconocimiento tanto a nivel nacional como internacional. Ha sido profesor invitado en Hanyang University (Seoul, Corea del Sur) y en King Saud University (Riad, Arabia Saudita). Preside la Fundación Scito -que organiza conferencias científicas internacionales en el dominio de materiales para energías renovables- y lleva a cabo investigaciones experimentales y teóricas sobre materiales y dispositivos para la producción y almacenamiento de energías limpias.
