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Perovskita, un material protagonista

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Fotografía del CSIC Andalucía

A principios de 2016, Thomson Reuters publicó su informe en el que recoge anualmente cuáles son las mentes científicas más influyentes (link a Thomson Reuters ver abajo) El trabajo estadístico detrás de este estudio está basado en una cantidad muy importante de datos y se centra en listar qué investigadores han generado un impacto sobresaliente en la comunidad científica. De entre todos ellos, se hace particular mención a aquellos que poseen más hot papers, esto es, artículos publicados en los dos últimos años que han recibido un número de citas mayor que el 99.9% restante de trabajos. Esto arroja el reducidísimo número de 19 científicos cuyas líneas de investigación contribuyen a cambiar el mundo que hoy conocemos con una mayor inmediatez. No sorprende que, entre ellos, 13 pertenezcan al campo de la biomedicina, el cual está asistiendo a su particular revolución científica de la mano de la genómica y disciplinas adyacentes. Lo que sí es muy novedoso es que las otras 6 mentes más influyentes pertenecen al área de materiales y esto es gracias, en gran medida, a la irrupción en el escenario científico de una nueva familia de compuestos basados en estructura cristalina de perovskita.

Un material único

Perovskita no es más que el nombre que recibe una determinada disposición ordenada de átomos o iones en el espacio y se formulan químicamente como ABX3, donde X ocupa los vértices y B el centro de un octaedro mientras A ocupa el espacio libre entre 8 octaedros (ver Figura 1 abajo). Hay multitud de materiales que poseen dicha estructura cristalina, pero a partir de 2012 el panorama científico ha asistido a una auténtica revolución a causa de unos determinados compuestos de tipo perovskita CH3NH3PbX3, donde X es un haluro (iodo, bromo o cloro). Fue a finales de dicho año cuando se demostró que estos materiales poseen unas propiedades tanto ópticas como eléctricas únicas. Absorben fuertemente la luz visible para crear electrones y huecos de una manera muy eficiente y son capaces de transportar estas cargas a lo largo de distancias del orden de micras. Además, estas perovskitas son muy fáciles de sintetizar en el laboratorio, haciendo uso de elementos muy abundantes en la naturaleza y de bajo coste.

Por todo ello, resultan ideales para su utilización en la fabricación de celdas solares de capa fina (ver Figura 2 abajo), dispositivos que emplean la luz solar para crear electricidad y cuya arquitectura final posee un grosor que ronda la millonésima parte del metro. Tanta es su idoneidad que en tan solo 4 años se ha constituido un nuevo campo en fotovoltaica alrededor de este tipo de perovskitas, pasando de eficiencias en torno al 5% a eficiencias superiores al 22% (link a NREL ver abajo) Estos son números que no tienen precedentes. Para ponerlos en contexto, la tecnología más asentada a nivel mundial, basada en el silicio, precisó de 20 años para alcanzar un éxito similar. Por tanto, no es de extrañar que la rápida evolución de los dispositivos basados en perovskita haya originado que, a día de hoy, estén ya implementándose en el largo proceso de ser producidos a escala industrial para su futura comercialización.( link a Oxford PV ver abajo)

Un avance veloz que precisa de comprender los mecanismos que lo han permitido

En circunstancias normales, a la par de la obtención de tan altas eficiencias cada vez más próximas a los límites teóricos, el interés científico alrededor de estos compuestos se hubiera ido diluyendo en favor del desarrollo industrial. Pero nada más lejos de la realidad, el vertiginoso crecimiento que ha experimentado el campo en la consecución de celdas solares altamente eficientes ha llevado a que queden muchas cuestiones abiertas por el camino. De este modo, la discusión se mantiene muy activa, con un alto número de publicaciones que cada vez implican a un mayor espectro de campos de investigación.

Esto se debe, por un lado, a la necesidad de explicar los mecanismos fundamentales que subyacen al desempeño de las perovskitas y que se han revelado novedosos. Estos están gobernados por la relación existente entre sus propiedades electro-ópticas, la morfología de las capas y el transporte iónico a través de las mismas, así como las diferentes arquitecturas de dispositivos existentes, entre otros. Todo ello ha llevado simultáneamente al desarrollo de perovskitas con modificaciones en su composición química para hacerlas más estables frente al tiempo y la temperatura.

Por otro lado, la interdisciplinariedad existente alrededor de la familia de materiales que nos atañe, se cimienta también en la posibilidad de utilizarlos para fabricar otros tipos de dispositivos, como LEDs o sensores, así como en su compatibilidad con los procesos de fabricación de celdas solares de silicio. Esto último se prevé como el mayor foco de atención en los próximos meses dado su enorme potencial para producir celdas tándem perovskita-silicio. Tal configuración llevará a eficiencias récord con un aumento mínimo en los costes de producción, por lo que existen grandes expectativas para que esta sea la primera aplicación comercial de esta joven tecnología.

Los actores principales del campo

Si bien en estos párrafos se ha introducido la perovskita como un material de futuro, cada línea de investigación abierta merece mucho más que una simple mención. Sin embargo, el impacto que todo ello ha supuesto permite comprender por qué las dos mentes científicas más influyentes en ciencia de materiales basan sus estudios en estas prometedoras perovskitas. Ambos son europeos, el Profesor Henry Snaith de la Universidad de Oxford y el Profesor Michael Grätzel de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, segundo y séptimo respectivamente en la lista de 19 que ha servido de introducción para este post. En España sobresalen dos grupos asentados en el levante. En primer lugar, el encabezado por el Profesor Henk Bolink en la Universidad Politécnica de Valencia, que centra sus investigaciones en la fabricación de celdas de perovskita por evaporación térmica. En segundo lugar, el grupo dirigido por el Profesor Juan Bisquert en la Universidad Jaume I de Castellón de la Plana, especializado en estudios de impedancia de este tipo de dispositivos.

Si nos ceñimos a Andalucía, Sevilla es la región donde se están desarrollando las primeras tesis doctorales en el campo. Destacan el grupo dirigido por el Profesor Hernán Míguez en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (CSIC-US) gracias a su contribución en el diseño óptico de celdas solares de perovskita, y el dirigido por el Profesor Juan Antonio Anta en la Universidad Pablo de Olavide.

Links (por orden de aparición en el texto)

http://stateofinnovation.thomsonreuters.com/worlds-most-influential-scientific-minds-report-2015

http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

http://www.oxfordpv.com/

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