Cómo la nueva tecnología solar y de iluminación podría impulsar una transformación de energía renovable

Cómo la nueva tecnología solar y de iluminación podría impulsar una transformación de energía renovable
Las tecnologías solares actuales no son lo suficientemente buenas.
Antonio García en Unsplash, FAL

La demanda de electricidad más barata y ecológica significa que el panorama energético está cambiando más rápido que en cualquier otro momento de la historia. Esto es particularmente cierto de electricidad con energía solar y almacenamiento de batería. El costo de ambos ha caído a un ritmo sin precedentes durante la última década y las tecnologías de eficiencia energética como Iluminación LED también se han expandido.

El acceso a almacenamiento y energía solar baratos y ubicuos transformará la forma en que producimos y usamos la energía, permitiendo la electrificación del sector del transporte. Existe potencial para nuevas economías basadas en productos químicos en las que almacenar energía renovable como combustiblesy admitir nuevos dispositivos que componen una "Internet de las cosas.

Pero nuestras tecnologías energéticas actuales no nos llevarán a este futuro: pronto alcanzaremos los límites de eficiencia y costos. los potencial para futuras reducciones en el costo de la electricidad de silicio solar, por ejemplo, es limitado. La fabricación de cada panel requiere una buena cantidad de energía y las fábricas son caro de construir. Y aunque el coste de producción se puede reducir un poco más, los costes de una instalación solar son ahora dominado por los extras - instalación, cableado, electrónica, etc.

Esto significa que es poco probable que los sistemas de energía solar actuales cumplan con la fracción requerida de nuestros requisitos de energía global de 30 TeraWatt (TW) (producen menos de 1 TW en la actualidad). suficientemente rapido para abordar cuestiones como el cambio climático.

Del mismo modo, nuestras tecnologías actuales de iluminación y visualización LED son demasiado caras y no tienen una calidad de color lo suficientemente buena como para reemplazar de manera realista la iluminación tradicional en un período de tiempo lo suficientemente corto. Esto es un problema, ya que la iluminación representa actualmente 5% de las emisiones de carbono del mundo. Se necesitan nuevas tecnologías para llenar este vacío y rápidamente.

Perovskitas de haluro

Nuestro laboratorio en Cambridge, Inglaterra, está trabajando con una nueva y prometedora familia de materiales conocida como perovskitas de haluro. Son semiconductores que conducen cargas cuando se estimulan con luz. Las tintas de perovskita se depositan sobre vidrio o plástico para hacer películas extremadamente delgadas, alrededor de una centésima parte del ancho de un cabello humano, compuestas de iones metálicos, halogenuros e iones orgánicos. Cuando se intercala entre los contactos de los electrodos, estas películas hacen células solares o dispositivos LED.

Sorprendentemente, el color de la luz que absorben o emiten se puede cambiar simplemente modificando su estructura química. Al cambiar la forma en que los cultivamos, podemos adaptarlos para que sean más adecuados para absorber luz (para un panel solar) o para emitir luz (para un LED). Esto nos permite fabricar células solares y LED de diferentes colores que emiten luz desde el ultravioleta, hasta el visible y el infrarrojo cercano.


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A pesar de su procesamiento barato y versátil, se ha demostrado que estos materiales son notablemente eficientes tanto como células solares como como emisores de luz. Las células solares de perovskita golpean 25.2% de eficiencia en 2019, pisándole los talones a las células de silicio cristalino al 26.7%, y los LED de perovskita ya están que se acerca Rendimiento de diodos emisores de luz orgánicos (OLED) listos para usar.

Estas tecnologias son siendo comercializado rápidamente, particularmente en el frente de las células solares. Oxford Photovoltaics, con sede en el Reino Unido, construyó una línea de producción y está cumpliendo sus primeras órdenes de compra a principios de 2021. La empresa polaca Saule Technologies lanzó productos prototipo a fines de 2018, incluido un piloto de fachada solar de perovskita. El fabricante chino Microquanta Semiconductor espera producir más de 200,000 metros cuadrados de paneles en su línea de producción antes de fin de año. Swift Solar, con sede en EE. UU. (Una empresa que cofundé) es pionera de alto rendimiento células con propiedades ligeras y flexibles.

Tintas emisoras de luz de perovskita coloreadas que se pueden moldear en películas delgadas.Tintas emisoras de luz de perovskita coloreadas que se pueden moldear en películas delgadas. © Sandeep Pathak, autor proporcionado

Entre estas y otras empresas, se está logrando un rápido progreso.

Ventanas solares y paneles flexibles

A diferencia de las células de silicio convencionales, que deben ser muy uniformes para una alta eficiencia, las películas de perovskita se componen de mosaico de "granos" de tamaño y química muy variables (desde nanómetros a milímetros) y, sin embargo, funcionan casi tan bien como las mejores células de silicio de la actualidad. Además, pequeñas imperfecciones o defectos en las películas de perovskita no conducen a pérdidas de potencia significativas. Tales defectos serían catastróficos para un panel de silicio o un LED comercial.

Aunque todavía estamos tratando de entender esto, estos materiales están obligando a la comunidad a reescribir el libro de texto para lo que consideramos como un semiconductor ideal: pueden tener muy buenas propiedades ópticas y electrónicas a pesar de - o quizás incluso debido a - desorden.

Hipotéticamente podríamos usar estos materiales para hacer células solares de colores de "diseñador" que se funden en edificios o casas, o ventanas solares que parecen vidrios polarizados pero generan la fuerza.

Pero la verdadera oportunidad es desarrollar células altamente eficientes más allá de la eficiencia de las células de silicio. Por ejemplo, podemos superponer dos películas de perovskita de diferentes colores en una Célula solar "tándem". Cada capa recolectaría diferentes regiones del espectro solar, aumentando la eficiencia general de la celda.

Otro ejemplo es lo que Oxford PV es pionero: agregar una capa de perovskita encima de una celda de silicio estándar, aumentando la eficiencia de la tecnología existente. sin costo adicional significativo. Estos enfoques de capas en tándem podrían crear rápidamente una aumento de la eficiencia de paneles solares más allá del 30%, lo que reduciría los costos del panel y del sistema al tiempo que reduciría su huella energética.

Estas capas de perovskita también se están desarrollando para fabricar paneles solares flexibles que se pueden procesar para rodar como papel de periódico, además Reduciendo costos. La energía solar liviana y de alta potencia también abre posibilidades para alimentar vehículos eléctricos y satélites de comunicación.

Prototipo de célula solar flexible de perovskita.Prototipo de célula solar flexible de perovskita. Plamen Petkov para Scientific American

Para los LED, las perovskitas pueden lograr fantásticos calidad del color lo que podría llevar a tecnologías de visualización flexibles. Las perovskitas también podrían producir iluminación blanca que los LED comerciales de hoy, con la "temperatura de color" de un globo que se puede fabricar para dar luz blanca fría o cálida o cualquier tono intermedio. También están generando entusiasmo como bloques de construcción para futuras computadoras cuánticas, así como el libro electrónico Detectores de rayos x para imágenes médicas y de seguridad de dosis extremadamente bajas.

Aunque los primeros productos ya están surgiendo, todavía existen desafíos. Un tema clave es demostrar estabilidad a largo plazo. Pero la investigación es prometedora, y una vez que se resuelvan, las perovskitas de haluro realmente podrían impulsar la transformación de nuestra producción y consumo de energía.La conversación

Sobre el Autor

Sam Stranks, profesor de energía e investigador de la Royal Society University, Universidad de Cambridge

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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