La energía solar fotovoltaica genera gran interés en los últimos años. El abaratamiento de los precios de los paneles, por una parte y las enormes trabas que se han puesto a esta fuente de energía en España, por otra, hacen que sea frecuente leer noticias relacionadas con esta fuente de energía en medios de comunicación no especializados.
La célula solar es una unión de dos zonas, denominadas base y emisor, en las que hay impurezas incorporadas intencionalmente que suministran electrones (cargas negativas) en el emisor y huecos (cargas positivas) en la base; ese proceso se denomina “dopado”, una traducción literal del término doping, usual en la terminología técnica.
Hay numerosas tecnologías de fabricación de dispositivos fotovoltaicos y dependiendo del fabricante, hay múltiples variantes que persiguen mejorar la eficiencia, bajar los costes o una combinación de ambos.
Tecnologías menos tóxicas
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 de 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 Universidad Rey Juan Carlos (URJC) y su Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Orgánicos (LabCADIO) (España), 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 por ciento 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.
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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.
