Durant anys, les cèl·lules solars de perovskita han estat la burla favorita del món de les energies renovables. Són barats. Són fàcils de fer. Continuen batent rècords d'eficiència al laboratori. Sona perfecte, oi? Hi ha una trampa, una gran. Es desfan. Ràpid.
La cèl·lula solar de perovskita es danyarà ràpidament quan s'exposa a la humitat a l'aire lliure. Aquesta alta taxa de danys és causada pels efectes combinats de la humitat, la calor i la llum solar, i normalment es produeix en poques setmanes o mesos després de l'exposició inicial. La cèl·lula, que abans es pensava que era una tecnologia prometedora, ja no complirà els estàndards d'un producte solar de qualitat per a ús de camp. Per tant, tot i que les plaques solars de perovskita han generat molta publicitat, en aquests moments no hi ha aplicacions comercials per a elles (per exemple, en terrats o en grans instal·lacions solars).
Recentment, un nombre creixent de científics i enginyers de materials de les startups creuen que han descobert un material inesperat que es podria utilitzar per superar els problemes de degradació de les cèl·lules solars perovskites: el grafè. El grafè té algunes propietats estructurals úniques que li permeten superar les limitacions d'altres materials (per exemple, vidre, plàstics, metalls) utilitzats en la construcció de cèl·lules solars.
Què té d'especial un full d'un àtom de gruix?
El grafè és bàsicament una sola capa d'àtoms de carboni, disposats com un fil de gallina. És gairebé completament transparent, més prim que qualsevol cosa que puguis imaginar, però unes 200 vegades més resistent que l'acer. També passa a ser el millor conductor elèctric que s'hagi imaginat mai, almenys en els entorns de laboratori.
Ara, aquí teniu la part intel·ligent. Els investigadors van descobrir que podeu col·locar grafè a sobre d'una cèl·lula de perovskita o barrejar-ne petites peces a les capes que envolten la perovskita. Aquesta fina manta de carboni fa tres coses útils alhora.
En primer lloc, actua com un impermeable hermètic. L'oxigen i el vapor d'aigua no poden colar-se per la xarxa de grafè. Només això atura moltes de les reaccions químiques que maten les cèl·lules perovskites. Alguns equips han vist morir cèl·lules no protegides en pocs centenars d'hores, mentre que les recobertes de grafè continuen taral·lejant durant milers d'hores.
En segon lloc, el grafè és increïble per eliminar les càrregues elèctriques. Dins d'una cèl·lula solar en funcionament, la llum solar crea parells d'electrons carregats negativament i "forats" carregats positivament. Si es queden a l'interior de la perovskita durant massa temps, causen problemes, recombinant-se de manera inútil o desencadenant reaccions secundaries. La superpotència del grafè és agafar aquestes càrregues i treure-les ràpidament, cosa que protegeix la cèl·lula i augmenta lleugerament la seva potència.
En tercer lloc, i aquest va sorprendre a molta gent, el grafè fa que la perovskita sigui més dura físicament. L'exposició d'un cristall a la llum solar durant el dia seguida d'un refredament a la nit crea un cicle repetit d'escalfament i refredament amb una expansió molt mínima, i aquesta flexió repetida finalment produirà esquerdes microscòpiques al llarg dels límits del gra del cristall de sucre a causa de l'equivalent a la congelació i descongelació a les voreres, etc. zones febles de l'estructura cristal·lina. Si es forma una esquerda, no viatjarà tan ràpidament a través de l'estructura cristal·lina.
Des de curiositats de laboratori fins a alguna cosa que gairebé pots comprar
No fa molt, tot això era purament acadèmic. Un estudiant de doctorat passaria mesos fent una petita cèl·lula de perovskita feta a mà, posava amb cura un tros de grafè al damunt i després feia uns quants centenars d'hores de proves. Va funcionar, però ningú sabia com fer-ho a escala real.
Això està canviant. Els enginyers han descobert maneres de laminar làmines de grafè prefabricades sobre mòduls de perovskita de diversos centímetres d'ample. Altres estan fent créixer el grafè directament a la cèl·lula mitjançant mètodes de baixa temperatura. I alguns dels treballs més pràctics consisteixen a barrejar fragments de grafè tallats, de vegades anomenats nanoplaquetes de grafè, a les capes imprimibles i pegajoses per sobre i per sota de la perovskita. Aquest enfocament no necessita una làmina perfecta i ininterrompuda de grafè. Una xarxa desordenada de petits flocs de grafè encara us ofereix la majoria dels beneficis, a una fracció del cost.
Un grapat de petites empreses, principalment a la Xina i Europa, estan construint silenciosament línies de producció pilot utilitzant aquestes idees. Encara no estan anunciant grans xifres, la indústria encara és prudent, però l'ambient a les últimes conferències energètiques ha canviat. La gent comença a creure que això podria funcionar fora d'una sala neta.
Què significa això per a la vostra factura elèctrica
Si alguna vegada les cèl·lules de perovskita reforçades amb grafè arriben a la producció en massa, l'economia es torna interessant. Els panells de silici ja són barats (entre 10 i 15 cèntims per watt), però per fer-los cal forns molt calents, productes químics desagradables i vidre rígid. Les cèl·lules de perovskita, d'altra banda, es poden imprimir com un diari a temperatura propera a l'ambient. Les matèries primeres són abundants i barates. Cost potencial? Alguns analistes xiuxiuegen cinc cèntims per watt o fins i tot menys.
Això reduiria aproximadament a la meitat el preu de l'electricitat solar. Però aquí està el punt de partida: ningú comprarà un panell que falla al cap de dos anys. Els serveis públics i els propietaris volen una garantia de 25 anys. Sense el grafè, la perovskita ni tan sols pot somiar-ho. Amb el grafè, els primers prototips ara mantenen més del 90 per cent de la seva producció original després de milers d'hores de proves contínues i brutals. Encara no són 25 anys, però és una millora mil·lenària respecte a on es trobava la tecnologia fa només cinc anys.
Més que panells rígids
Un altre motiu pel qual la gent està entusiasmada: la flexibilitat. Les hòsties de silici es trenquen si les mireu malament. Però les capes de perovskita-grafè es poden imprimir en làmines fines de plàstic o metall. Això obre nous usos salvatges. Imagineu-vos cèl·lules solars laminades al sostre corbat d'un cotxe elèctric, o cosides a una motxilla per carregar el vostre telèfon, o envoltades al voltant de l'ala d'un drone. Alguns arquitectes estan jugant amb finestres de perovskita semitransparents que generen energia mentre deixen entrar la llum.
Res d'això ja no és ciència ficció. Els prototips han sobreviscut a milers de revolts sense suar. La combinació de l'eficiència de la perovskita i la duresa i la conductivitat del grafè està desbloquejant aplicacions que el silici simplement no pot tocar.
Encara queda feina per fer, però el camí s'està fent més clar
Siguem sincers: el grafè en si no és perfecte. Fer grafè d'una sola capa d'alta qualitat de manera coherent i econòmica encara és més difícil del que sembla. Els preus han baixat molt durant l'última dècada, però encara no són prou baixos per als panells solars de referència. I ningú ha demostrat que un panell de grafè-perovskita realment pugui durar 20 anys a l'aire lliure. Aquest tipus de dades requereixen temps.
Tot i així, l'impuls és real. Més d'un centenar de famílies de patents cobreixen ara les combinacions de grafè-perovskita. Els diners de la inversió flueixen cap a startups que solien riure's de les reunions de presentació. Fins i tot alguns grans fabricants de panells de silici estan finançant silenciosament la R+D de la perovskita, per si la tecnologia antiga es fa un salt.
Això no és una garantia. Però és el signe més esperançador que les cèl·lules solars de perovskita han vist en molt de temps.
