El ejército y la marina prestan músculo a la nueva célula solar de perovskita 2-D que es un 18% más eficiente

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El Departamento de Defensa de los EE. UU. Ha estado girando hacia una postura de acción climática, y eso incluye apoyo para nuevas tecnologías limpias. En el último desarrollo, tanto el Ejército como la Marina han prestado su poder de fuego financiero a un nuevo proyecto de investigación de células solares de perovskita en 2-D. Si todo va de acuerdo con el plan, el resultado será una célula solar liviana, económica y altamente eficiente que puede entregar kilovatios limpios durante una vida útil de 20 a 25 años.

Célula solar de perovskita al rescate

Para aquellos de ustedes que son nuevos en el tema, la perovskita es un mineral natural con propiedades ópticas únicas que lo hacen ideal para aplicaciones fotovoltaicas.

La investigación sobre las células solares de perovskita solo comenzó en serio hace unos 10 años, y el Departamento de Energía de EE. UU. Es uno de los que más lo persiguen. Los resultados han sido impresionantes. La eficiencia de conversión solar de una célula solar de perovskita saltó de un mínimo 3% a más del 25% durante ese lapso de tiempo de 10 años. Por el contrario, los semiconductores de células solares actualmente en uso tardaron unos 60 años en alcanzar el punto de referencia del 25%.

Para dorar el lirio tecnológico limpio, los materiales cristalinos sintéticos que imitan la perovskita son relativamente fáciles y económicos de cultivar.

El ejército y la marina se unen al equipo de células solares de perovskita 2-D

Al no existir un almuerzo gratis, la perovskita “cruda” tiende a desmoronarse cuando se expone a la humedad y la luz solar. Eso complica las cosas para la fase de I + D, pero no es un problema insuperable. Los investigadores ya han descubierto un conjunto de soluciones que pueden llevar al mercado las células solares de perovskita.

El enigma restante es cómo construir durabilidad en una celda solar de perovskita sin sacrificar la eficiencia de conversión solar.

Eso nos lleva al mashup Army-Navy, que ha ayudado a crear la Madre de todas las soluciones alternativas: una fórmula de celda solar de perovskita bidimensional que gana durabilidad y eficiencia cuando se expone a la luz solar, en lugar de perderla.

El Oficina de Investigación del Ejército y el Oficina de Investigaciones Navales brindó apoyo financiero para la nueva investigación de perovskita, junto con la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

El trabajo pesado fue realizado por un equipo de ingenieros que trabajaba en el laboratorio de Aditya Mohite, en el Escuela de Ingeniería George R. Brown en la Universidad de Rice. Aquí, dejemos que Rice explique:

“El laboratorio de Aditya Mohite de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso es a menudo se mide en fracciones de un porcentaje “.

Para el registro, el proyecto fue de colaboración que también involucró a las universidades de Purdue y Northwestern. El Departamento de Energía también contribuyó con una mano de sus laboratorios de Los Alamos, Argonne y Brookhaven. Una ayuda del Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales de Francia lo convirtió en un asunto internacional, con el apoyo adicional del Instituto Académico de Francia.

La solución fotovoltaica de perovskita 2-D: cómo funciona

El equipo de Rice construyó su nueva celda solar de perovskita 2-D basándose en investigaciones anteriores que indicaban un camino para equilibrar la durabilidad con la eficiencia.

“Hemos estado trabajando durante muchos años y seguimos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. En contraste, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para colocarlas en un techo ”, explica Mohite.

Las iteraciones recientes de la tecnología solar de perovskita han agregado estructuras 2-D para mejorar la estabilidad. El equipo de Rice decidió eliminar la estructura de “volumen” 3-D e ir directamente a la 2-D. Fue entonces cuando sucedió la magia.

“Descubrimos que cuando se enciende el material, se aprieta como una esponja y se juntan las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección”, dijo Mohite.

“Este efecto nos ha brindado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales luz-materia sin crear heteroestructuras complejas como dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados”, agregó.

La cantidad real de presión es minúscula, pero marca una gran diferencia. Después de la exposición a un simulador solar, la red de perovskita del equipo se contrajo aproximadamente un 0,4% a lo largo y un 1,0% verticalmente.

“No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red induce una gran mejora del flujo de electrones”, dijo el coautor principal Wenbin Li, quien es un estudiante graduado de Rice Applied Physics. “Nuestra investigación muestra un aumento de tres veces en la conducción de electrones del material”.

La celosía también recuperó rápidamente su forma normal después de que se quitó la luz, lo que indica una mayor durabilidad en comparación con las versiones 3-D.

Abrazo grupal para los contribuyentes estadounidenses

Volviendo a esa cosa sobre una línea de tiempo de 10 años para una eficiencia de conversión del 25% en comparación con 60 años, ese tipo de I + D de tecnología limpia acelerada seguramente será útil ahora que la gente de la Tierra solo tiene una ventana de 10 años para prevenir el cambio climático catastrófico.

En el campo de la perovskita, parte del crédito va al material en sí. También se ha tenido en cuenta un salto cuántico en la ciencia de los materiales en los últimos 30 años, incluida la introducción de herramientas de diagnóstico nuevas y más poderosas financiadas por el público contribuyente, por lo que el grupo nos abraza.

Por ejemplo, el físico del Laboratorio Nacional Argonne Joe Strzalka, quien es coautor del nuevo estudio de células solares, acredita los rayos X “ultrabrillantes” del laboratorio. Fuente de fotones avanzada permitiendo al equipo observar cambios a nanoescala en la estructura de sus perovskitas en tiempo real.

“Para cambios como este, es importante hacer estudios de operando”, agrega Strzalka. “De la misma manera que su mecánico quiere hacer funcionar su motor para ver lo que sucede dentro de él, nosotros queremos básicamente tomar un video de esta transformación en lugar de una sola instantánea”.

“Los instrumentos sensibles en la línea de luz 8-ID-E del APS permiten estudios de ‘funcionamiento’, es decir, aquellos realizados mientras el dispositivo está experimentando cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de funcionamiento”, agrega la Universidad de Rice.

APS se construyó en la década de 1990 y, al parecer, todavía no has visto nada.

“Una actualización integral del anillo de almacenamiento de electrones de la instalación, programada para comenzar en abril 2023, será aumentar el brillo de esos rayos X hasta 500 tiempos y permitirá nuevos descubrimientos e innovaciones que aún no podemos imaginar ”, se entusiasma Argonne. “Las nuevas líneas de luz y las mejoras ampliarán aún más las capacidades del APSy mantenerlo a la vanguardia de la ciencia mundial de rayos X “.

Acelerando la acción climática en los EE. UU.

El equipo de Rice anticipa que el nuevo APS mejorado ayudará a impulsarlos al siguiente paso en la escalera de I + D.

“Estamos en camino de lograr una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de los cationes y las interfaces”, explica Sidhik. “Cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces la gente comenzaría a usar perovskitas 2D para tándems de perovskita / silicio 2D y perovskita 2D / 3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%”.

Es lamentable que el proyecto de ley de acción climática Build Back Better del presidente Joe Biden se mantenga en el limbo, pero la nueva investigación de perovskita es solo una de las muchas iniciativas que están integrando la acción climática en la política nacional, a través de los bolsillos profundos del Departamento de Defensa.

Además de las numerosas iniciativas de tecnología limpia emprendidas por el Ejército y la Armada, la Fuerza Aérea de EE. UU. También está impulsando la tecnología limpia hacia un nuevo territorio.

Sígueme en Twitter @TinaMCasey.

Foto: “El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Wenbin Li, prepara una celda solar de perovskita 2D para prueba en un simulador solar”(Crédito: Jeff Fitlow / Rice University).

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