Con un compuesto híbrido orgánico-inorgánico se elaboraron nuevos materiales fotovoltaicos que se podrían utilizar en la producción de celdas solares de bajo costo y que generen menor impacto ambiental.

“Que sea un híbrido significa que esos dos materiales juntos van a ser más eficientes que separados”, explica Hebert Alexander Gómez Rubiano, magíster en Ciencias - Física de la Universidad Nacional (U.N.), quien estudió las propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas de películas delgadas del compuesto, conformado por un componente orgánico y uno inorgánico, que sería un conductor o metal.

“Los dos materiales se juntan mediante ciertos procesos de deposición. El metal (yoduro de plomo) es un muy buen conductor y tiene altas propiedades eléctricas, mientras que el material orgánico (yoduro de metilamida) posee muy buenas propiedades ópticas”, explica el investigador.

Las propiedades del material son, precisamente, las que se necesitan en una celda solar: muy buenas propiedades eléctricas y la capacidad para absorber la luz en cierto rango del espectro solar, lo cual se logró con el compuesto conocido como CH3NH3PbI3 (MAPI).

Para estudiar los materiales primero se caracterizaron mediante “evaporación secuencial” un proceso que usa una máquina de evaporación de ultra alto vacío.

En la base de la máquina, los precursores en estado sólido de ambos materiales se calientan hasta su punto de evaporación para depositarlos así en unos sustratos de vidrio, o FTO. Se trata de varias pruebas a diferentes condiciones en las que se toma nota de la temperatura de evaporación y se hacen estudios de rayos X, de microscopia electrónica SEM y de la composición electrónica de los materiales.

Después de realizar la caracterización se evaporan de nuevo ambos materiales secuencialmente para obtener lo que será la capa activa de la celda solar, que será la encargada de absorber la luz del sol que se transformará en corriente eléctrica por ciertos procesos físicos.

“Hicimos muchas pruebas para buscar la capa más eficiente, que absorbiera más luz y de alguna forma tuviera mejores respuestas”, relata el investigador, quien agrega que esa capa activa se conoce también como “perovskita”, por su estructura híbrida.

Con esto se procedió a armar la celda solar compuesta por la capa activa, sobre la que se ubica una capa conductora de carga positiva de un polímero comercial llamado P3HT, y bajo la cual se coloca un conductor de carga negativa de óxido de zinc.

“Todo eso se deposita mediante diferentes técnicas y al final se ponen unos contactos de oro para extraer la carga o la corriente de la celda solar”, señala el magíster.

Dispositivos emergentes

Aunque el objetivo de las celdas solares es presentar una alternativa de generación de energía renovable y con un bajo impacto ambiental, los materiales con los que se suelen elaborar, como el silicio o el teluro de cadmio, además de resultar costosos también pueden terminar siendo tóxicos.

Para solucionar las dificultades ambientales y de costo de producción de los módulos fotovoltaicos, recientemente se inició en el escenario mundial un programa encaminado a desarrollar nuevos dispositivos, denominados emergentes, caracterizados por no contaminar el ambiente, ser de bajo costo y fabricados a partir de sustancias abundantes en la naturaleza.

El trabajo desarrollado por el magíster Gómez, que va en esa dirección, se realizó con el apoyo del grupo de investigación de Materiales Semiconductores y Energía Solar de la U.N. –del que el investigador forma parte– dirigido por el profesor Gerardo Gordillo Guzmán.

También se evaluó el desempeño de la celda solar “perovskita”, de la que se obtuvieron eficiencias máximas de 7,5 %. Aunque se trata de un porcentaje que aún es bajo frente a las celdas convencionales –que alcanzan eficiencias de hasta el 40 %– se trata de un resultado prometedor para el tipo de estructuras híbridas trabajadas dentro del estudio, las cuales tienen una mayor proyección de crecimiento y desarrollo.

“Desde que se empezaron a trabajar, por ejemplo con las celdas de silicio, se ha aumentado levemente la eficiencia a pesar de que se ha invertido mucho en investigación. Por el contrario, con materiales basados en perovskita se ha aumentado mucho la eficiencia en los últimos cinco años, por lo que se proyecta obtener algo mucho mejor con estos materiales”, indica el investigador.