esen
  • 2017cover Actualidad
  • 1
Jueves 25 de Julio de 2019 a las 10:00

Tecnologías menos tóxicas para la fabricación de células solares

El Grupo de Optoelectrónica Orgánica de la URJC, junto con investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales (CSIC), la Facultad de Física de la UCM y de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la UPM, ha colaborado en el desarrollo de un nuevo material basado en perovskita híbrida, con fotoestabilidad muy mejorada.

Irene Vega

Las perovskitas híbridas han generado una gran expectación en los últimos años porque se presentan como una alternativa mucho más barata a las actuales tecnologías para la fabricación células solares de lámina delgada (TeCd, CIGS), sin detrimento de eficiencia. Sin embargo, su comercialización presenta dos problemas fundamentales: suelen contener plomo en su estructura, un elemento altamente tóxico e incompatible con las “tecnologías verdes”, y su baja estabilidad, generando yoduro de plomo en su degradación.

El objetivo principal del equipo de científicos, en el que ha participado el Grupo de Optoelectrónica Orgánica de la URJC y su Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Orgánicos (LabCADIO), ha sido buscar una alternativa menos contaminante para reducir la toxicidad, buscando además aumentar la estabilidad final del compuesto de perovskita híbrida empleado en la fabricación de los materiales que conforman las células solares. “En este trabajo hemos seguido una estrategia distinta, empleando bismuto como elemento dopante. El bismuto es un elemento isoelectrónico al plomo, es decir, con el mismo número de electrones de valencia, con radio iónico similar y una menor toxicidad”, explica la Dra. Carmen Coya, responsable del LabCADIO.

Las estrategias que se han empleado en otros ensayos para sustituir parcialmente el plomo por otros elementos, como el estaño (Sn2+), el cadmio (Cd2+) o el calcio (Ca2+), han dado lugar a comportamientos fotovoltaicos mucho peores que los obtenidos en perovskitas basadas únicamente en plomo (Pb2+). “Hemos elaborado un protocolo de dopado consiguiendo introducir hasta un 5% de bismuto en la estructura cristalina de la perovskita”, detalla la investigadora de la URJC. “Así, mediante técnicas como la difracción de rayos X o la microscopía electrónica de barrido, entre otras, hemos evaluado los cambios composicionales, morfológicos y estructurales”, añade. Finalmente, los investigadores han podido caracterizar estos materiales obteniendo sorprendentes propiedades ópticas.

Mejor control de las propiedades de las células solares

Los resultados obtenidos, publicados en la revista científica Chemistry of Materials, han calculado la cantidad máxima de bismuto que puede reemplazar parcialmente al plomo en la célula de perovskita sin llegar a distorsionar su red cristalina, así como el efecto que el bismuto produce en su estructura cristalina y en sus propiedades fotofísicas y de estabilidad en condiciones ambientales.

“Hemos interpretado estos resultados con un modelo que involucra la difusión del bismuto inducida por la luz y posterior la transformación del material a oxiyoduro de bismuto. El efecto final es un sorprendente aumento de la estabilidad frente a la irradiación, 1000 veces mayor que el material sin dopar”, subraya la Dra. Carmen Coya.

Este estudio arroja luz en el papel que juega la difusión de los iones del material en el comportamiento del dispositivo, lo que permitirá un mayor control de sus propiedades físicas.  

perovskitas CarmenCoya

Esta imagen meuestra: (a) Evolución temporal de la intensidad de la fotoluminiscencia bajo irradiación con densidad de potencia de 180 W cm-2 de una muestra dopada con bismuto.
(b) imagen óptica polarizada cruzada tras 76 min de iluminación, el círculo azul indica el punto de incidencia del láser (25 μm).
(c) Representación de los mecanismos producidos en el material con el dopaje con Bi y con la iluminación de la muestra.