Por Tom Metcalfe - NBC News
Cuando la Administración Biden anunció a finales de marzo una iniciativa de 128 millones de dólares para mejorar los costes de la energía solar, una parte significativa del dinero se destinó a la investigación de materiales que llevan el nombre de un geólogo y noble ruso desconocido del siglo XIX: Lev Perovski.
Entre los proyectos del Gobierno se destinaron 40 millones de dólares para la investigación y desarrollo de la perovskita, un mineral que los científicos están utilizando para superar los límites de su eficiencia y adaptabilidad a las celdas fotovoltaicas, los dispositivos eléctricos que convierten la energía de la luz en electricidad.
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Y aunque las perovskitas no son nada nuevo, se encontraron por primera vez en los Montes Urales de Rusia en 1839 y son relativamente comunes, sus aplicaciones más recientes en la tecnología de energía solar han generado la esperanza para aprovechar mejor los miles de megavatios de energía del sol que cae sobre la Tierra cada hora.
“Yo diría que las perovskitas son una de las oportunidades más emocionantes para las celdas fotovoltaicas en el futuro inmediato”, afirmó David Mitzi, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en la Universidad de Duke, quien ha estudiado los materiales desde la década de 1990.
Cualquier nueva tecnología de energía solar tenía que competir con las celdas fotovoltaicas de silicio, una tecnología estándar utilizada durante más de 50 años, según Mitzi. Pero las perovskitas tenían el potencial tanto de mejorar la eficiencia de las celdas de silicio como de competir con ellas directamente: "Creo que definitivamente hay oportunidades", aseguró el profesor.
La eficiencia es solo una de las características de estas piedras. Las celdas de perovskita se pueden fabricar fácilmente en una variedad de materiales generadores de electricidad y a temperaturas mucho más bajas y, por lo tanto, costes potencialmente más bajos que las celdas de silicio. Pero la estabilidad y durabilidad de las celdas de perovskita deberán abordarse antes de que puedan reemplazar por completo al silicio.
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Los científicos han descubierto toda una clase de materiales de perovskita que comparten una estructura específica, incorporando tres productos químicos diferentes dentro de una forma de cristal cúbico. Hace años reconocieron que algunas perovskitas eran semiconductores, como el silicio utilizado en la electrónica.
Pero en 2009 descubrieron que las perovskitas también podrían usarse para construir celdas fotovoltaicas, que convierten la luz solar en electricidad utilizable.
Las primeras celdas de perovskita tenían eficiencias muy bajas, por lo que la mayor parte de la luz solar que caía sobre ellas no se utilizó. Pero han mejorado rápidamente.
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"La eficiencia con ha aumentado a un ritmo realmente increíble, hasta el punto de que ahora están cerca de las de las celdass fotovoltaicas de silicio en el laboratorio", explicó Lynn Loo, profesora de ingeniería química en la Universidad de Princeton y director del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente. “Por eso estamos tan entusiasmados con esta clase de materiales”, agregó.
Las celdas fotovoltaicas de perovskita también se pueden fabricar con relativa facilidad, a diferencia de las celdas de silicio, que deben refinarse a temperaturas muy altas y, por lo tanto, necesitan mucha energía para su fabricación.
Las perovskitas se pueden fabricar como láminas delgadas a bajas temperaturas o como tintas que se pueden "imprimir" eficazmente en sustratos de otros materiales, como rollos flexibles de plástico.
Eso podría llevar a su uso en superficies donde las celdas solares de silicio no serían prácticas, como el exterior de automóviles o camiones; o incluso pueden imprimirse en tela para alimentar dispositivos electrónicos portátiles. Otra posibilidad es aplicar películas delgadas de perovskitas al vidrio de las ventanas, donde dejarían pasar la mayor parte de la luz mientras utilizan una parte para generar electricidad.
Pero uno de los usos más prometedores de las celdas de perovskita es combinarlas con las de silicio para que utilicen más energía solar que el silicio solo. Las mejores células de silicio se están acercando a su eficiencia máxima teórica de alrededor del 29%.
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Pero las celdas de perovskita se pueden sintonizar para generar electricidad a partir de longitudes de onda de luz que las células de silicio no utilizan, por lo que cubrir las células solares de silicio con películas semitransparentes de células de perovskita podría superar ese límite fundamental.
El físico Henry Snaith de la Universidad de Oxford, un investigador líder en celdas solares de perovskita, ve esto como una forma de combinar el dominio industrial del silicio con las ventajas tecnológicas de las perovskitas.
Snaith cree que las celdas "en tándem" de silicio y perovskita con eficiencias superiores al 40% podrían comercializarse más en 10 años, y que pronto podrían ser seguidas por celdas multicapa con eficiencias superiores al 50%.
El potencial de los paneles solares de perovskita también ha llamado la atención del Gobierno, tanto aquí como en el extranjero. Además de crear nuevas oportunidades comerciales para las empresas estadounidenses, las perovskitas podrían convertirse en una forma relativamente económica de que la energía solar desafíe a los combustibles fósiles para generar electricidad.
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"Creo que muchos de nosotros tenemos aspiraciones de que la tecnología realmente comience a abordar algunos de los problemas del cambio climático que deben abordarse para 2050", apuntó el físico Joe Berry, director de la investigación sobre perovskitas solares en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado.
Sin embargo, las celdas solares de perovskita todavía enfrentan problemas, y la clave entre ellos es la cuestión de la estabilidad. En parte porque son fáciles de fabricar, las celdas de perovskita también se degradan rápidamente por la humedad y el calor.
Algunas celdas de perovskita experimentales se han mantenido estables durante decenas de miles de horas, pero aún les queda un largo camino por recorrer para cumplir con los 25 o 30 años de uso de las celdas de silicio, según Snaith.
Algunos de los materiales de perovskita más prometedores para la energía solar también incorporan plomo, que puede liberarse al medio ambiente cuando las celdas de perovskita se degradan.
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Los investigadores están estudiando alternativas a las perovskitas a base de plomo, como las perovskitas a base de estaño y estructuras cristalinas similares que incorporan otras sustancias más seguras.
"Creo que hay algunos desafíos por delante", dijo Loo. “El que [las perovskitas] vayan a desempeñar un papel importante depende de si podemos superarlos", concluyó.