El proyecto SMARTLINE-PV tiene como objetivo desarrollar células solares de perovskita a base de estaño escalables y respetuosas con el medio ambiente, abordar el desafío de la toxicidad del plomo y mejorar el proceso de cristalización.
La conversión de energía solar mediante energía fotovoltaica es fundamental en la transición de Europa hacia un sistema energético limpio, resiliente y climáticamente neutro. Aunque los módulos solares de silicio dominan el mercado fotovoltaico actual, su rigidez, peso y flexibilidad de diseño limitada limitan su uso en muchas aplicaciones emergentes. Por el contrario, las tecnologías fotovoltaicas de película fina de próxima generación, en particular las células solares de perovskita, permiten la producción de energía solar incluso en zonas donde la generación de energía fotovoltaica tradicional no es adecuada.
Entre estas tecnologías emergentes, las células solares de perovskita han atraído una atención significativa durante la última década. El rápido aumento de la eficiencia de conversión de energía, que ahora supera el 27%, combinado con el procesamiento a baja temperatura y la compatibilidad con sustratos flexibles, la posiciona como una alternativa disruptiva a la generación de energía solar tradicional. Sin embargo, estas células solares de perovskita de alto rendimiento contienen plomo, lo que genera preocupaciones ambientales y sociales y puede dificultar el despliegue a gran escala.
El proyecto SMARTLINE-PV, financiado con fondos europeos de Horizonte Europa, está abordando este desafío mediante el desarrollo de células solares de perovskita de haluro de estaño escalables centrándose en técnicas de cristalización innovadoras. Al combinar innovación de materiales, procesamiento asistido por plasma, diseño ecológico y demostradores basados en aplicaciones, SMARTLINE-PV tiene como objetivo abrir nuevas áreas de aplicación, particularmente en los campos de rápido crecimiento de los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) y la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV).
Un poderoso consorcio europeo que impulsa la innovación
SMARTLINE-PV reúne a un consorcio multidisciplinar de 13 socios de toda Europa, que combinan experiencia en investigación académica y aplicada con conocimientos industriales. Universidades e institutos de investigación (Universidad Tecnológica de Graz, HZB, Instituto Joanum, CNR, Fraunhofer ISE, CEA y Instituto bifa Umwertin) lideran el desarrollo de materiales avanzados de perovskita de estaño, química de cristalización, arquitecturas de dispositivos, integración de módulos, evaluación de la sostenibilidad y circularidad, mientras que los socios industriales (INO GmbH, temicon, Homerun Energy, COMTES FHT, Terran, FILBAU) Procesamiento escalable, compatibilidad rollo a rollo, orientado al mercado diseño. Esta colaboración estrechamente integrada permite a SMARTLINE-PV cerrar la brecha entre la investigación de materiales básicos y las soluciones fotovoltaicas industrialmente relevantes, permitiendo la transición de la innovación de laboratorio a la tecnología de energía limpia desplegable.
Del plomo al estaño: transición a materiales sostenibles
Reemplazar el plomo con estaño en las células solares de perovskita es una ruta prometedora hacia una generación de energía solar respetuosa con el medio ambiente. Las perovskitas de haluro de estaño comparten muchas propiedades optoelectrónicas ventajosas similares a las perovskitas a base de plomo, como una fuerte absorción de luz y un excelente transporte de carga. Es alentador que las células solares de perovskita a base de estaño ya hayan demostrado eficiencias superiores al 17%.
A pesar de este progreso, aún quedan varios desafíos importantes. Las perovskitas de estaño tienden a cristalizar rápidamente, tienen altas densidades de defectos y se vuelven químicamente inestables, especialmente debido a la oxidación de Sn2+ a Sn4+. Estos factores afectan negativamente la eficiencia, la reproducibilidad, la estabilidad a largo plazo y la fabricación en grandes superficies del dispositivo.
SMARTLINE-PV aborda estos problemas mediante novedosas estrategias de control de cristalización y química precursora. Un innovador mediador de cristalización está diseñado para ralentizar el proceso de formación de cristales, permitiendo que las películas de perovskita de estaño crezcan con menos defectos y una uniformidad estructural mejorada. Paralelamente, este proyecto estudia las interacciones entre disolventes no oxidantes, interacciones de enlaces de hidrógeno y haluros para estabilizar el estado de oxidación del estaño y mejorar aún más la calidad de la membrana. Estas innovaciones de materiales sientan las bases para células solares de perovskita de haluro de estaño estables y de alto rendimiento que son adecuadas para demostraciones en laboratorio, así como para fabricación industrial.
Cristalización asistida por plasma para fabricación escalable
La producción tradicional de perovskita a menudo se basa en el goteo de antisolventes, pero este proceso es difícil de controlar y requiere mucho solvente, lo que lo hace poco adecuado para la producción de grandes superficies o de rollo a rollo. Por el contrario, el enfoque asistido por plasma estudiado en SMARTLINE-PV permite una cristalización rápida sin disolventes a bajas temperaturas y proporciona un buen control sobre la nucleación y el crecimiento de cristales. Combinando una formulación precursora optimizada y condiciones de plasma cuidadosamente ajustadas, se pueden producir películas de perovskita uniformes y de alta calidad sin el uso de antisolventes. El proceso también es altamente compatible con la fabricación rollo a rollo (R2R), lo que permite la deposición continua sobre grandes áreas de sustratos flexibles. Esta compatibilidad representa un paso importante hacia la escalabilidad industrial, la reducción del consumo de energía y los menores costos de producción.
Ingeniería de dispositivos para eficiencia y estabilidad
Además de optimizar los absorbentes de perovskitas, SMARTLINE-PV se centra en personalizar arquitecturas de dispositivos específicamente para perovskitas de estaño. Se desarrollan capas intermedias personalizadas para mejorar la extracción de carga, suprimir las pérdidas por recombinación y proteger las interfaces sensibles dentro de las pilas de células solares. Se están explorando nuevas arquitecturas de dispositivos para mejorar la flexibilidad mecánica y la estabilidad operativa a largo plazo en condiciones reales.
A través de este enfoque integrado, SMARTLINE-PV pretende lograr eficiencias de más del 20 % en células solares de perovskita a base de estaño. Se trata de un objetivo ambicioso pero realista que destaca el potencial de esta tecnología de células solares como alternativa viable a las tecnologías de película fina establecidas.
Módulo MorphoColor Color con concepto e integración de edificios
En el entorno construido, se espera que los sistemas de energía solar combinen rendimiento con diseño y funcionalidad. SMARTLINE-PV aborda este problema permitiendo variaciones de color en módulos solares de perovskita de estaño a través de su concepto MorphoColor, que se inspira en los colores estructurales que se encuentran en las alas de las mariposas. El concepto de MorphoColor se basa en una estructura fotónica que combina un sustrato con patrones geométricos y una capa de interferencia para crear colores brillantes y personalizables sin depender de pigmentos. Este enfoque permite módulos solares de perovskita de color seleccionable, lo que los hace ideales para la integración arquitectónica.
Para aplicaciones BIPV, esta libertad de diseño es transformadora. Se pueden generar elementos de fachada, sombreado y cubierta al mismo tiempo y contribuir a la identidad visual del edificio, un elemento esencial para su introducción en entornos urbanos e históricos.
Ecodiseño, circularidad y bajas emisiones de carbono
La sostenibilidad es un principio rector en SMARTLINE-PV. El proyecto integra conceptos de ecodiseño y circularidad a lo largo del ciclo de vida de las células solares, desde las materias primas y la fabricación hasta el uso, el reciclaje y las consideraciones sobre el final de su vida útil. El procesamiento a baja temperatura y alta velocidad reduce la demanda de energía durante la fabricación, lo que contribuye a reducir las emisiones de carbono en comparación con las tecnologías de energía solar tradicionales. La eliminación de los procesos que utilizan mucho plomo y disolventes aumenta aún más la compatibilidad medioambiental y la aceptabilidad social.
Manifestantes apoyando la transferencia de tecnología
Para cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la implementación en el mundo real, SMARTLINE-PV se centra en demostradores orientados a aplicaciones. Los módulos solares flexibles de perovskita de estaño se pueden integrar en dispositivos IoT para permitir suministros de energía autónomos y sin mantenimiento para sensores y sistemas inteligentes.
Paralelamente, el demostrador BIPV mostrará la integración de módulos flexibles y de color seleccionable en elementos arquitectónicos como tejas y toldos. Estos demostradores se prueban en condiciones del mundo real y proporcionan datos valiosos sobre el rendimiento, la durabilidad y la aceptación del usuario.
Dando forma al futuro de la energía solar de película delgada
SMARTLINE-PV representa un paso significativo hacia una nueva generación de energía solar de película delgada al abordar la eficiencia, la escalabilidad, la sostenibilidad y la estética a través de un enfoque holístico. Este proyecto demuestra que las células solares de perovskita a base de estaño pueden ir más allá de un tema de investigación específico y convertirse en fuertes candidatas para aplicaciones del mundo real.
SMARTLINE-PV muestra cómo se pueden combinar la investigación de materiales avanzados, el procesamiento innovador y el diseño cuidadoso para desarrollar soluciones de energía solar prácticas e impactantes. Al abordar aspectos tanto de rendimiento técnico como de integración, el proyecto apoyará la adopción generalizada de la energía solar en aplicaciones cotidianas y contribuirá a un entorno construido más sostenible.
Descargo de responsabilidad
Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte Europa de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención no. 101122327.
Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.
Source link
