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Perovskite, the "silicon" of the future to harvest solar energy

An article about the research in perovskite appeared in "Televisión Nacional de Honduras" website, citing ICMAB, together with other research centers in Spain, where advanced research in this material is done: "Spain is one of the countries in which research (in the development of perovskite) is more advanced.

Apart from the research group in the Institute of Materials Science in Sevilla, there are many more groups specialized in its study, in the University Jaume I of Castelló, the Institute of Molecular Science (University of Valencia), the Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB-CSIC), the Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), the University Pablo de Olavide in Sevilla, and the Catalan Institue of Chemical Research (ICIQ)."

We transcribe here the full article (in Spanish):

Perovskita, el ‘silicio’ del futuro para aprovechar la energía del sol

Numerosos laboratorios de todo el mundo están centrados en el desarrollo de la perovskita, tanto desde el punto de vista teórico como en sus posibles aplicaciones. España es uno de los países en los que la investigación está más avanzada. Además del equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Sevilla, hay muchos otros grupos especializados en su estudio en centros como la Universidad Jaume I de Castellón, el Instituto de Ciencia Molecular (Universidad de Valencia), el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (CSIC), el ICN2, la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla y el ICIQ.

Se llama perovskita y, aunque su nombre bien podría aparecer en un cómic de superhéroes, es un material real que en pocos años podríamos tener en casa produciendo electricidad. Los científicos creen que, gracias a sus prometedoras propiedades, permitirá fabricar células fotovoltaicas más eficientes y baratas sin algunas de las desventajas que tiene el silicio, el material más usado en la actualidad en los paneles solares.

Hace unos cinco años que la comunidad científica empezó a interesarse por la perovskita, cuyo nombre procede de un mineral descubierto en 1839 en Los Urales por Gustav Rose. Fue bautizado así en honor al noble y experto en minerales ruso Lev Perovski (1792-1856).Pero la perovskita que se investiga hoy en día en laboratorios de todo el mundo no es ya ese mineral descubierto en Los Urales ni un único material: “Se trata, en realidad, de una estructura cristalina que tienen muchísimos compuestos. Es un híbrido, orgánico e inorgánico, que hace que absorba muy bien la luz y sea un muy buen conductor”, explica Hernán Míguez, el científico argentino del CSIC que lidera el grupo del Instituto e Ciencia de Materiales de Sevilla centrado en investigar la perovskita para intentar mejorar sus propiedades.

En el laboratorio

“No es más que una ordenación que toman algunos minerales en la naturaleza, y el primero que se descubrió con esa estructura se llamó así. Pero son todos los materiales que tienen la fórmula química ABX3. Y las perovskitas que han atraído la atención de la comunidad científica son aquellas en las que el catión A es metilamonio, el catión B es un catión metálico -plomo en la mayor parte de los casos- y el catión X es un haluro. Que sean híbridas, con cationes orgánicos e inorgánicos, las hace especiales”, detalla el cordobés Gabriel Lozano, científico titular del CSIC y responsable de dispositivos emisores de luz en el grupo de Materiales Ópticos Multifuncionales que dirige Míguez.

“Empezamos hace tres años. Queríamos montar un equipo que pudiera abordar los problemas que tiene el campo de las perovskitas cubriendo aspectos que no estuvieran siendo investigados por otros grupos internacionalmente”, relata Míguez, que trabaja en colaboración con algunos de los laboratorios que gozan de mayor prestigio en este área, como el del británico Henry J. Snaith, en la Universidad de Oxford, o el del sueco Anders Hagfeldt, en la Escuela Politécnica de Lausana, en Suiza.“No queríamos competir desde el punto de vista de la eficiencia, sino entender ciertos problemas que tiene el material e intentar contribuir en lo que llamamos el diseño óptico de los dispositivos, es decir, de qué forma se puede introducir un material óptico en la estructura, como una celda o un emisor de luz, y conseguir que se absorba más luz en el menor volumen posible”, detalla el científico.

“El material en sí mismo es mucho más fácil de fabricar y barato que el silicio porque el proceso es sencillo y se emplean materiales que no son caros“, asegura Lozano. Ésta es la receta que siguen en el laboratorio para obtener una lámina de perovskita: Sobre una delgada placa de vidrio se mezclan dos sales, normalmente yoduro de plomo y yoduro de metilamonio, y se calienta a 100 grados centígrados durante 60 minutos.

Además, añade Lozano, es muy tolerante a los defectos: “A diferencia de otros materiales superconductores como el silicio, que requieren una estructura perfecta porque la presencia de defectos limita sus posibilidades de superconductor, no necesitas una calidad excelente“.Pese a las limitaciones que aún presenta, se ha convertido en uno de los materiales más interesantes que están siendo investigados en la actualidad. El Foro Económico Mundial incluyó a las celdas fotovoltaicas de perovskita en su lista de las 10 tecnologías emergentes de 2016. En este documento, elaborado conjuntamente con la revista científica Scientific American, cada año se seleccionan los avances más prometedores para mejorar la vida de los ciudadanos y transformar los procesos industriales.

El organismo internacional destacaba la capacidad de estas celdas de generar energía limpia de forma mucho más eficiente. Y es que la eficiencia de las celdas solares ha aumentado rápidamente en pocos años: “La primera celda de perovskita que se hizo tenía una eficiencia del 3%. Hoy en día se ha superado el 20% y hace cinco años era inferior al 8%. Otras tecnologías han necesitado muchos años para recorrer ese camino”, asegura Lozano.

Sin embargo, todavía no se pueden comprar celdas de perovskita. “Aún es una tecnología incipiente y presenta problemas que aún no hemos sido capaces de resolver. El gran caballo de batalla es la estabilidad. Los dispositivos necesitan ser mucho más estables frente a la humedad, la presencia de oxígeno y la temperaturas“, explica Lozano.“No es estable cuando se expone a la luz, lo que supone un problema muy serio porque su principal uso es para fabricar celdas solares”, apunta Míguez. “Mientras un panel solar de silicio tiene ahora una vida de 25 o 30 años, la perovskita bien encapsulada puede durar unos cuatro meses, pero luego se degrada”, afirma el científico, cuyo equipo está investigando este aspecto. “Aún no se sabe cómo se va a resolver pero en este último año hemos entendido por qué son inestables y estamos proponiendo mecanismos mediante los cuales el material se degrada por la radiación para, a partir de ahí, idear cómo solucionarlo”, añade.

Aplicaciones futuras

Según Míguez, “es tan importante lo que pueden significar las perovskitas y lo que pueden dan lugar que ya se consideran entre los posibles candidatos al Nobel”. De momento, el premio más prestigioso de la ciencia no ha llegado, pero las investigaciones sobre la perovskita ya están generando galardones, también en España. Y los científicos de este centro sevillano se han hecho con algunos de ellos. Así, mientras Míguez ha ganado el Premio de Física, Innovación y Tecnología 2017, Lozano, de 34 años, se hizo con el Premio Investigador Novel Física Experimental 2017 concedidos por la Real Sociedad Española de Física (RSEF) y la Fundación BBVA. Tras acabar la tesis, se fue tres años a Holanda y en 2014 regresó a Sevilla para incorporarse al grupo que dirige Míguez.

Combinar perovskita y silicio

¿Podrá llegar la perovskita a sustituir al silicio? “Sin duda, porque se consiguen eficiencias altas y es una tecnología relativamente económica“, opina Míguez. Aunque “desde que China ha entrado en el mercado, el silicio se ha convertido en una tecnología relativamente barata”, con la perovskita “el procesado de los materiales es mucho más sencillo y necesita temperaturas mucho más bajas. El gasto de energía que requiere fabricar una celda solar de silicio es muy superior al de una celda solar de perovskita”, asegura. “Ya se ha logrado que sea una tecnología eficiente. Lo que hace falta ahora es que también sea estable“, resume Míguez.

Asimismo, una de las líneas de investigación con más posibilidades a corto plazo, según Lozano, es combinar las celdas de perovskita con las de silicio en dispositivos tándem que puedan absorber una parte más amplia del espectro electromagnético para lograr que sean más eficientes, es decir, aprovechar las ventajas de ambos para conseguir mejores resultados.

Españoles investigando la perovskita 

Numerosos laboratorios de todo el mundo están centrados en el desarrollo de la perovskita, tanto desde el punto de vista teórico como en sus posibles aplicaciones. España es uno de los países en los que la investigación está más avanzada. Además del equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Sevilla, hay muchos otros grupos especializados en su estudio en centros como la Universidad Jaume I de Castellón, el Instituto de Ciencia Molecular (Universidad de Valencia), el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (CSIC), el ICN2, la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla y el ICIQ.

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