Células solares de perovskita: El potencial de la energía fotovoltaica transparente para edificios modernos y proyectos fotovoltaicos – Imagen: Xpert.Digital
Transición de energía transparente: generación de electricidad a través de tecnología innovadora de ventanas
Células solares de perowskit: los futuros fabricantes de ventanas inteligentes
El desarrollo de células solares transparentes con alta eficiencia abre nuevas perspectivas para la integración de fotovoltaicos en edificios. Las células solares de perowskit en particular se han convertido en un candidato prometedor para esta aplicación en los últimos años. Con una eficiencia de hasta el 31,6 por ciento, la posibilidad de versiones transparentes y una producción económica podría revolucionar el uso de energía solar. Los resultados actuales de la investigación muestran que la estabilidad previamente problemática de estas células podría mejorarse significativamente. Las aplicaciones como paneles de ventana inteligentes que no solo generan electricidad, sino que también pueden adaptar su transparencia a las condiciones ambientales son a la vista.
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Fundamentos de la tecnología solar de perowskit
Las células solares de perovskit representan un desarrollo relativamente nuevo en fotovoltaicos, que solo se ha investigado intensamente desde 2009. Deben sus nombres al Mineral Perowskit, cuya estructura cristalina característica que tienen. Estas células solares se basan en las llamadas perskitas de halides o halogenidas, un material híbrido hecho de componentes orgánicos positivos como cationes de metilamonio y sales metálicas inorgánicas como yoduro de plomo. La composición y la estructura de material especial difieren fundamentalmente de las células solares de silicio tradicionales y lo convierte en un candidato prometedor para el futuro de la energía solar.
La funcionalidad de las células solares perovskit se basa en su excelente capacidad para convertir la luz solar en energía eléctrica. Los científicos del Centro de Investigación de Jülich han descubierto que los portadores de carga libre en las células solares de perovskit están presumiblemente protegidos de la desintegración a través de nuevas mediciones de fotoluminiscencia, lo que podría ser una razón esencial para su alta eficiencia. La vida útil de los portadores de carga excitadas en el material es un factor decisivo para la eficiencia de estas células solares, ya que determinan cuánto tiempo se pueden preservar los electrones liberados por la luz y pueden contribuir a la generación de electricidad.
En los últimos años, el desarrollo tecnológico de estas células solares ha hecho un progreso impresionante. Mientras que las primeras células solares de perowskit todavía tenían una eficiencia modesta del 4 por ciento, los últimos modelos alcanzan regularmente una eficiencia de más del 20 por ciento. El Instituto Fraunhofer incluso logró un récord del 31.6 por ciento, mientras que la compañía alemana QCells logró una eficiencia del 28.6 por ciento.
Ventajas de las células solares de perovsky transparentes
La propiedad más destacada de las células solares de perovskit en comparación con los módulos de silicio convencionales es su transparencia potencial con alta eficiencia. Esta propiedad abre aplicaciones completamente nuevas, especialmente en el área de los fotovoltaicos integrados en el edificio. Las células solares transparentes o semi -transparentes se pueden integrar en áreas de ventana, que no solo deja los edificios, sino que también pueden generar electricidad.
El grado de transparencia se puede ajustar durante el proceso de fabricación dependiendo de la solicitud, por lo que debe tenerse en cuenta que la eficiencia de conversión de energía disminuye al aumentar la transparencia. La eficiencia de conversión más alta en versiones transparentes es actualmente del 17.9 por ciento. Como parte del impresionante proyecto de investigación , se demostró que una combinación de tecnologías puede convertir la energía solar con una eficiencia del 14 por ciento con un grado promedio de transacciones de luz de más del 55 por ciento. UV-PEROWSKITZELEN, medio transparente incluso alcanza una eficiencia de más del 10 por ciento con un grado de transacción ligera de alrededor del 60 por ciento.
Además de su transparencia, las células solares de perovskit se caracterizan por nuevas ventajas notables. Son relativamente económicos y fáciles de fabricar, similares a los módulos solares de capa delgada. La fabricación es mucho menos intensiva en energía en comparación con el silicio, ya que perowsian se puede producir utilizando métodos simples y escalables, como técnicas de impresión de rollo a rollo. Además, las materias primas requeridas generalmente son abundantes, lo que mantiene bajos los costos del material.
Otra ventaja decisiva es la ligereza y la flexibilidad de las células solares de perovsky. Se pueden aplicar a diferentes sustratos como una capa delgada de la oblea, lo que expande significativamente sus usos. Esta propiedad permite aplicaciones innovadoras en dispositivos portátiles, vehículos o construcción de soluciones fotovoltaicas integradas como ventanas solares o módulos de fachada.
Aplicaciones innovadoras en la integración de edificios
La posibilidad de hacer transparentes las células solares de perovskit lo hace particularmente atractivo para el fotovoltaico (BIPV) integrado en el edificio, en el que las células solares reemplazan los materiales de construcción clásicos como las ventanas. La incrustación del perovskit entre los paneles de vidrio permite que las células solares sirvan como la fachada y la pared reales de un edificio, al mismo tiempo que generan electricidad para usar en el sitio o alimentarse en la red.
Un ejemplo concreto de esta innovadora aplicación presentó a Panasonic Holdings, que presentaba balaustradas de vidrio semitransparentes con células solares perovsky en el balcón de una casa modelo al sur de Tokio. Estos prototipos demuestran el potencial para integrar la tecnología de perovskit en los elementos de construcción cotidianos. Los físicos de Leipzig también han desarrollado una célula solar transparente que se puede evaporar directamente a un panel de ventana y, por lo tanto, puede convertir las fachadas enteras en centrales eléctricas.
Los desarrollos en el campo de las ventanas termocromáticas o "inteligentes" son particularmente avanzados. Los científicos de la Universidad de California en Berkeley han desarrollado una extensión funcional en una ventana activa fotovoltaica, que cambia su color y transparencia cuando la temperatura cambia y puede generar electricidad en el estado oscuro. El cambio reversible a una ventana solar de color se basa en un cambio de fase de las capas de perovskit delgadas de la oblea.
En el estado transparente, los cristales de perovskit están disponibles en una estructura cúbica y son en gran medida transparentes, mientras que a una temperatura de aproximadamente 105 grados centígrados pasan a una estructura cristalina menos transparente pero fotovoltaica. Esto bloquea alrededor de dos tercios de la luz visible y logra una eficiencia del siete por ciento. Enfriado a temperatura ambiente y expuesta a cierta humedad, este cambio de fase se puede revertir y la ventana será transparente nuevamente.
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Propiedades termocromáticas para edificios optimizados por clima
Las propiedades termocrómicas de las ventanas de perovskita podrían contribuir significativamente a la eficiencia energética de los edificios. Al igual que las gafas de sol tintadas, estas ventanas pueden cambiar de color con los cambios de temperatura, siendo la temperatura – a diferencia de la intensidad de la luz en las gafas de sol – el factor determinante. A medida que la temperatura aumenta, el cristal transparente cambia gradualmente de color a amarillo, naranja, rojo o marrón. Cuanto más caliente se calienta, más oscuro se vuelve el cristal, lo que permite enfriar la habitación automáticamente sin necesidad de aire acondicionado.
Este mecanismo puede contribuir significativamente para reducir el requisito de energía de calefacción y enfriamiento. En vista del hecho de que la calefacción y el agua caliente en Austria son responsables del 25 por ciento de las emisiones de CO2 y, según un estudio de la Universidad de Birmingham, el número de dispositivos de enfriamiento en todo el mundo debería cuadruplicar a 14 mil millones de veces para 2050, tales soluciones de ventanas inteligentes podrían hacer una importante contribución a la protección climática.
Desafíos y soluciones
A pesar de las propiedades prometedoras, las células solares perovskit enfrentan algunos desafíos que hasta ahora han restringido su amplia aplicación comercial. Un problema principal es su estabilidad en condiciones ambientales reales. Los cristales de perowskit tienden a crecer desorganizados y defectuosos, lo que puede provocar problemas de estabilidad. Todavía no alcanza la longevidad de las células solares de silicio y es sensible a la humedad, la luz y el calor. Existe una desventaja significativa en la menor resistencia al clima, ya que el material puede descomponerse en condiciones climáticas extremas.
Sin embargo, la investigación ya ha logrado avances significativos para superar estos desafíos. Panasonic, por ejemplo, ha logrado producir una variante químicamente más estable del material y protegerla de la intemperie mediante el uso de doble acristalamiento. El instituto de investigación belga Imec, socio del consorcio de investigación EnergyVille, ha logrado un gran avance en la investigación sobre módulos solares de perovskita . Un estudio de dos años en exteriores en Chipre demostró la estabilidad a largo plazo de los minimódulos de perovskita, que alcanzaron una impresionante eficiencia energética del 78 % después de un año en exteriores – un valor que los módulos solares de perovskita actuales a menudo solo pueden mantener durante unas pocas semanas.
También se han logrado avances en el campo del reciclaje. Investigadores suecos han desarrollado un método para reciclar células solares de perovskita de forma completa y respetuosa con el medio ambiente. En lugar de utilizar la tóxica dimetilformamida para desmontar las células, como se hacía anteriormente, el equipo utiliza agua como disolvente para descomponer las perovskitas descompuestas. Todas las piezas pueden reutilizarse en una nueva célula solar de perovskita sin comprometer su rendimiento – la célula solar reciclada tiene la misma eficiencia que la original.
Todavía existen desafíos específicos para las ventanas solares termocromáticos. La temperatura de cambio de fase relativamente alta de poco más de 100 grados Celsius tendría que reducirse para aplicaciones prácticas. Además, la humedad que es necesaria para el cambio reversible podría afectar la estabilidad de las capas de perowskit a largo plazo. Sin embargo, dado que la composición de los materiales de perovskit puede variar en gran medida, las mezclas de materiales se pueden encontrar en otros estudios sin estas desventajas y la eficiencia aumentó.
Potencial de mercado y perspectivas futuras
La combinación de flexibilidad, ventajas de costos y eficiencia sobresaliente hace que las células solares de perowskit sean una esperanza de la transición de energía. Los investigadores de mercado de IDTEECHEX predicen que el mercado de Perovskit Photovoltaics alcanzará un volumen de ventas anual de casi $ 12 mil millones para 2035. En el futuro, esta tecnología podría reemplazar los módulos basados en silicio como una tecnología dominante de fotovoltaicos.
La combinación de perovskita con silicio en celdas tándem resulta particularmente prometedora, ya que podría alcanzar eficiencias de hasta el 43 % – una mejora significativa con respecto a los módulos de silicio puro. Los materiales de perovskita pueden adaptarse específicamente para utilizar eficientemente diferentes longitudes de onda de la luz solar: mientras que la perovskita absorbe mejor la luz de onda corta (azul), el silicio destaca en el rango de onda larga (roja).
Para las células solares de perovskit transparentes integradas en el edificio, se abren perspectivas completamente nuevas. Para reemplazar las ventanas pasivas lo más rápido posible con ventanas productoras de electricidad, los investigadores están trabajando para optimizar el rendimiento de las tecnologías y promover la madurez del mercado de las células PV transparentes. Si es posible superar los desafíos aún existentes con respecto a la estabilidad y la durabilidad, las ventanas solares basadas en perovskit podrían hacer una contribución significativa a la generación de energía descentralizada en los espacios urbanos en el futuro cercano.
Transición de energía urbana: ventanas generadoras de energía con tecnología perovskit
Las células solares de PEROWSKIT, especialmente en su ejecución transparente para aplicaciones de ventanas , representan una tecnología prometedora para el futuro de los fotovoltaicos con su combinación de alta eficiencia, transparencia, bajos costos de fabricación y flexibilidad, ofrecen ventajas significativas sobre las células solares de silicio convencionales. La posibilidad de transformar edificios y ventanas en generadores de energía sin afectar su función principal podría hacer una contribución decisiva a la transición de energía en las habitaciones urbanas.
El reciente progreso en la mejora de la estabilidad y la longevidad de estas células en condiciones ambientales reales es alentador y allanando el camino para una aplicación comercial más amplia. Las propiedades termocromo de algunas ventanas basadas en perovskit parecen particularmente innovadoras que no solo generan electricidad, sino que también pueden contribuir a la eficiencia energética de los edificios al adaptar su transparencia.
Si bien aún quedan algunos desafíos por superar, el rápido desarrollo de la tecnología de perovskita en los últimos años sugiere que las células solares transparentes y de alta eficiencia pronto podrían desempeñar un papel importante en la arquitectura y el suministro de energía. Esta innovadora tecnología podría transformar profundamente el futuro de la construcción – con edificios cuyas ventanas y fachadas no solo sean estéticamente atractivas, sino que también contribuyan activamente al suministro de energía.
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