Perovskitas: el material que alcanzó al silicio en quince años
En 2009 la primera celda solar de perovskita convertía cerca del 3,8 por ciento de la luz incidente. Hoy el récord supera el 26 por ciento, competitivo con el silicio comercial. Nada más en fotovoltaica ha mejorado tan rápido, y merece la pena contar la historia con precisión: porque la física es genuinamente interesante y porque un ascenso de quince años desde la curiosidad hasta la casi paridad es el aspecto que tiene el progreso real en tecnología energética cuando ocurre.
Qué es realmente una perovskita
El nombre designa una estructura cristalina, identificada primero en el mineral titanato de calcio y bautizada en honor al mineralogista ruso Lev Perovski. Cualquier compuesto con esa disposición se llama perovskita, y miles la comparten, con propiedades muy dispares: algunos son superconductores y otros aislantes.
Las usadas en celdas solares suelen ser haluros de plomo híbridos orgánico-inorgánicos, que combinan un catión orgánico con plomo y un halógeno. Esa familia resultó tener una combinación insólita de propiedades: una banda prohibida ajustable variando la composición, absorción intensa de luz y portadores de carga que recorren distancias largas antes de recombinarse.
Esa última propiedad es la sorprendente. Los materiales baratos procesados desde disolución suelen tener muchos defectos, y los defectos atrapan portadores antes de que se recojan. Las perovskitas toleran los defectos mucho mejor de lo esperado, y por eso un material que puede pintarse rinde como uno crecido en un horno.
La absorción es tan intensa que una capa de menos de un micrómetro captura la mayor parte de la luz aprovechable, frente a unos 200 micrómetros del silicio. Esa diferencia de volumen de material es buena parte del argumento de coste.
Por qué mejoraron tan deprisa
A la fotovoltaica de silicio le costó unos cuarenta años pasar de un dígito a mediados de los veinte en eficiencia. Las perovskitas recorrieron el mismo rango en quince. Parte de la razón es que llegaron a un campo que ya sabía qué optimizar: capas de contacto, gestión de la luz e ingeniería de interfaces se habían desarrollado con otras tecnologías.
La otra parte es el procesado. Una película de perovskita puede depositarse desde disolución en torno a los 100 grados Celsius, así que un grupo de investigación puede fabricar y probar muchas variantes rápido. El silicio exige hornos por encima de 1.000 grados y un ciclo experimental mucho más largo.
Las cifras más interesantes están en la configuración tándem. Apilar una celda de perovskita sobre una de silicio permite que cada una absorba una parte distinta del espectro -la perovskita se lleva los fotones de alta energía y el silicio el resto- y la combinación ha superado el 33 por ciento, por encima del techo teórico del silicio solo.
El mecanismo fotoeléctrico es idéntico en todas estas celdas. Lo que difiere es la eficacia con que el material convierte los fotones absorbidos en carga recogida y lo barato que resulta fabricarlo.
El problema que no está resuelto
Los paneles de silicio se venden con garantías de veinticinco años porque el silicio es químicamente inerte y mecánicamente estable. Las perovskitas no son ninguna de las dos cosas. Se degradan con la humedad, se descomponen a temperatura elevada y sufren daño con la iluminación prolongada, lo que resulta inconveniente para un dispositivo cuyo trabajo es estar al sol.
La inestabilidad no es accidental en su química: está ligada a la misma estructura blanda e iónica que hace posible el procesado a baja temperatura. Mejorar la estabilidad sin perder la procesabilidad es el problema central de investigación, abordado mediante ingeniería de composición, encapsulado y pasivación de interfaces.
El contenido de plomo es un segundo asunto. Las composiciones de mejor rendimiento contienen plomo, lo que plantea preguntas sobre eliminación y regulación, sobre todo en Europa. Existen alternativas sin plomo, pero de momento rinden bastante peor.
El progreso es real -algunos dispositivos superan ya ensayos industriales de envejecimiento acelerado-, pero ningún producto de perovskita ha demostrado décadas de comportamiento en campo, por la sencilla razón de que no han pasado suficientes décadas. Esa limitación no la puede atajar ningún resultado de laboratorio.
Para qué sirve este ejemplo
Las perovskitas merecen entenderse en estas páginas por una razón que va más allá de la fotovoltaica. Son el caso de una tecnología energética emergente que es genuinamente prometedora, avanza rápido, se apoya en miles de artículos revisados por pares y sigue sin desplegarse comercialmente porque no se ha demostrado su durabilidad.
Esa combinación es instructiva. Ser científicamente real y estar listo son cosas distintas, y la distancia entre ambas suele medirse en años de ingeniería y no en descubrimientos. Una tecnología puede ser del todo legítima y estar aún a años de un producto.
También muestra cómo es una afirmación honesta de eficiencia. Los récords de perovskita los certifican laboratorios independientes, se publican con las condiciones de medida y se recogen en una tabla pública mantenida desde 1976. Cualquiera puede comprobarlos, y los resultados discutidos se corrigen.
Ese es el criterio que la investigación neutrinovoltaica también debe cumplir: medidas verificadas de forma independiente, condiciones declaradas y una separación clara entre lo demostrado en laboratorio y lo disponible como producto. El campo de las perovskitas lo consigue aun siendo temprano, y esa es la parte útil de la comparación.
Preguntas frecuentes
¿Qué significa perovskita?
Es una estructura cristalina, no un compuesto concreto, bautizada en honor al mineralogista Lev Perovski. Miles de materiales la comparten. Las celdas solares suelen usar perovskitas de haluro de plomo híbridas orgánico-inorgánicas.
¿Qué eficiencia tienen las celdas de perovskita?
Los récords de laboratorio superan el 26 por ciento en celdas de una sola unión, frente al 3,8 de 2009. Las tándem de perovskita y silicio han superado el 33 por ciento, por encima del límite teórico del silicio solo.
¿Por qué son más baratas de fabricar?
Pueden depositarse desde disolución a unos 100 grados Celsius, mientras el silicio necesita hornos por encima de 1.000. Además absorben la luz con tal intensidad que basta una capa de menos de un micrómetro.
¿Por qué no están en el mercado?
Por la estabilidad. Se degradan con humedad, calor e iluminación prolongada, y ningún producto de perovskita ha demostrado las décadas de comportamiento en campo por las que se garantizan los paneles de silicio.
¿Contienen plomo?
Las composiciones de mejor rendimiento sí, lo que plantea cuestiones de eliminación y regulación. Existen alternativas sin plomo, pero actualmente rinden bastante peor.
