Nanopartículas de Alúmina Duraderas Aumentan la Vida Útil de las Celdas Solares de Perovskita 10 Veces

Un equipo de investigadores innovadores acaba de publicar un estudio que demuestra cómo las nanopartículas de alúmina pueden ampliar la vida útil de los paneles solares diez veces. A medida que la comunidad global se acerca a su objetivo de alcanzar emisiones netas de carbono cero en las próximas décadas, hay un fuerte impulso para introducir las energías renovables en el mercado. Opciones de energía renovable como turbinas eólicas y paneles solares ofrecen una solución de energía confiable y limpia. Sin embargo, estos dispositivos no son perfectos y su rendimiento se degrada con el tiempo.

Tipos de Paneles Solares

La tecnología de paneles solares sigue evolucionando. Hoy en día, existen cuatro tipos principales de paneles solares en el mercado: PERC, monocristalino, policristalino y paneles de película delgada. Estas opciones tienen sus pros y contras en términos de eficiencia, vida útil, tamaño y durabilidad.

PERC  (Emisor Pasivado y Célula Trasera)

Los paneles solares PERC integran un diseño de doble capa para maximizar la eficiencia. Notablemente, este estilo de panel solar puede alcanzar una eficiencia de +20 % con esta configuración. Ofrece una durabilidad y vida útil medias. Sin embargo, es la opción más cara de la lista, lo que la hace poco ideal para la mayoría de los propietarios.

Monocristalino

Los paneles monocristalinos son otra opción costosa que produce una eficiencia del 20 %. Este panel utiliza cristal de silicio como material base. La configuración brinda la mayor vida útil de las cuatro opciones, pero también incrementa el costo total de estos paneles.

Fuente – ACS

Policristalino

Los paneles policristalinos se fabrican fundiendo fragmentos de silicio juntos. Este enfoque reduce los costos de fabricación, haciendo que esta opción sea más asequible. Sin embargo, estas unidades son más grandes que sus contrapartes y son menos eficientes. En la mayoría de los casos, promedian una eficiencia del 15 %.

Paneles de Película Delgada

Los paneles de película delgada ofrecen la eficiencia más baja, pero brindan la mayor flexibilidad y asequibilidad. Son los paneles que se ven en vehículos recreativos y otras áreas donde el espacio es limitado. Los paneles de película delgada pueden fabricarse a partir de una variedad de materiales. Dos opciones comunes son CdTe (telururo de cadmio) y a‑Si (silicio amorfo).

Celdas Solares de Perovskita (PSC)

Las celdas solares de perovskita son el tipo de panel solar más avanzado que se utiliza hoy en día. Estos paneles basados en silicio proporcionan alta eficiencia desde una forma compacta y ligera. Para lograr esto, incorporan monocapas autoensambladas (SAM) para mejorar el rendimiento sin elevar los precios.

Problemas con los PSC

Los PSC aún presentan muchas desventajas. Por un lado, sufren de fugas de yodo al igual que otras opciones de paneles. La generación de yodo molecular ocurre con el tiempo debido a reacciones químicas dentro de estos materiales, lo que acelera los procesos de degradación y reduce el rendimiento.

Estudio de Nanopartículas de Alúmina

Al reconocer la falta de comprensión sobre la influencia de los modificadores moleculares en las propiedades eléctricas y electrónicas a escala nanométrica de la perovskita y la estabilidad del dispositivo, ingenieros de la Universidad de Surrey propusieron un método novedoso para mejorar la vida útil y el rendimiento de estos dispositivos.

El informe “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹ publicado en EES Solar revela el funcionamiento interno de estos materiales durante el proceso de degradación, lo que permite a los ingenieros comprender mejor los modificadores de superficie y cómo pueden utilizarse para mejorar futuros dispositivos. Como parte del estudio, el equipo comenzó probando la durabilidad de los principales tipos de paneles solares entre sí.

PFN–Br

Este electrolito polimérico se usa comúnmente en los PSC. Ofrece un rendimiento fiable y una vida útil media. El equipo decidió utilizar este material ya que se considera el más avanzado del mercado actual.

Nanopartículas de Alúmina (Al₂O₃)

Los ingenieros desarrollaron nanopartículas de alúmina (Al₂O₃) como parte de su investigación. Estas diminutas partículas fueron diseñadas para atrapar el yodo que se libera dentro del panel solar con el tiempo. El objetivo era evitar que el yodo escapara al resto de la celda y degradara el rendimiento.

Perovskitas 2D

Para lograr la tarea, los ingenieros crearon una barrera de perovskita 2D contra la humedad. Esta barrera impedía que materiales externos ingresaran al panel y provocaran degradación. Esta estrategia aumentó la fiabilidad y durabilidad del panel.

Prueba de Nanopartículas de Alúmina

Para probar su teoría, los ingenieros necesitaban someter los paneles a condiciones reales. Como parte de la fase de pruebas, el equipo diseñó escenarios severos de calor y humedad. Los paneles fueron colocados en estas áreas y evaluados. Utilizando espectroscopía fotoelectrón de rayos X (XPS), el equipo siguió cuidadosamente el progreso de las celdas degradadas bajo condiciones de estrés.

Microscopía de Fuerza de Sonda Kelvin

A partir de ahí, los ingenieros usaron un microscopio de sonda Kelvin para monitorizar la influencia de los modificadores en la superficie y la homogeneidad electrónica de muestras frescas y degradadas. El microscopio KPF se utilizó para analizar la homogeneidad electrónica superficial de las películas de perovskita. Esto ayudó a los investigadores a comprender cómo las nanopartículas de alúmina contribuyen a una mayor estabilidad y a una reducción de la degradación, en lugar de observar directamente su funcionamiento.

Pruebas de Estabilidad

Las pruebas de estabilidad consistieron en observar cómo la capa de barrera de humedad encapsulada resistía bajo condiciones intensas. Los dispositivos fueron probados periódicamente después de cada ciclo de exposición. Esta estrategia facilitó a los científicos la realización de comparaciones directas de cada celda.

Resultados de la Prueba de Nanopartículas de Alúmina

Los resultados de la prueba demuestran un gran potencial para esta tecnología. Por un lado, las celdas construidas con nanopartículas de alúmina produjeron más energía y pudieron hacerse más ligeras. Estos dispositivos mostraron un alto rendimiento con una degradación mínima de la producción de energía registrada durante 1 530 horas de prueba.

Específicamente, las unidades impregnadas con nanopartículas demostraron una vida útil 10 veces mayor que sus predecesoras. Los ingenieros descubrieron que las nanopartículas Al₂O₃ contribuyeron a una estructura de perovskita más uniforme. Esta arquitectura mejorada presentó menos defectos y potenció la conectividad eléctrica.

Impresionantemente, las nanopartículas crearon un recubrimiento protector 2D que impidió que la humedad ingresara a las unidades. Las pruebas mostraron una tasa de permeación de agua baja, de aproximadamente 4 × 10⁻³ g por m² por día. Como tal, las nuevas unidades son más adecuadas para condiciones climáticas adversas e instalaciones permanentes.

Beneficios de las Nanopartículas de Alúmina

Existe una larga lista de beneficios que hacen de las nanopartículas de alúmina una sustitución inteligente para otras opciones. Por un lado, proporcionan alta eficiencia desde un factor de forma pequeño. Aquellos con espacios limitados, como techos urbanos, obtendrán más de estos paneles.

Mayor Vida Útil

Agregar energía solar a su hogar o negocio no es barato. Es común que un sistema cueste más de 50 000 $. Cualquier tecnología que pueda mejorar la vida útil de estos dispositivos y reducir los costos seguramente será adoptada rápidamente en el mercado.

Más Barato de Construir

Otro beneficio principal de crear paneles con nanopartículas de alúmina es que cuestan menos de fabricar considerando su potencial aumento de vida útil. A medida que los paneles solares se vuelven más avanzados, la tendencia ha sido que las versiones más nuevas cuesten sustancialmente más que sus predecesoras. Este último avance científico podría revertir esa tendencia y permitir a los fabricantes ofrecer mejores productos por menos.

Investigadores de Nanopartículas de Alúmina

El estudio de Nanopartículas de Alúmina fue presentado por un equipo de ingenieros de la Universidad de Surrey. Lista a W. Hashini K. Perera como autor principal, junto a un equipo de colaboradores del Laboratorio Nacional de Física y la Universidad de Sheffield. Ahora, el equipo busca profundizar su investigación en la mejora de paneles solares con el objetivo de refinar la tecnología lo suficiente como para producir productos comerciales en 2‑5 años.​

Empresas Líderes en el Mercado de Paneles Solares

La carrera hacia la energía limpia ha llevado al surgimiento de varios fabricantes de paneles solares y actores del mercado notables. Desde los que desarrollan nueva tecnología hasta los trabajadores que instalan los paneles, el sector sigue expandiéndose. Aquí hay una empresa que está posicionada para aprovechar cualquier gran avance en tecnología solar y aumentar los retornos.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) entró al mercado en 1999 con el objetivo de proporcionar sistemas solares fiables al mercado global. Notablemente, la empresa se renombró de Solar Cells como parte del giro de la firma hacia células fotovoltaicas (PV). Actualmente, la empresa tiene su sede en Tempe, Arizona, y ofrece una amplia selección de soluciones de energía solar.

Es notable que First Solar es el único proveedor importante de sistemas solares en EE. UU. que no utiliza fabricación china. La empresa crea sus paneles de película delgada de telurio de cadmio (CdTe) en EE. UU. Además, First Solar estuvo entre las primeras compañías en ofrecer módulos solares de telurio de cadmio (CdTe) fiables al mercado.

Quienes buscan exposición al sector solar deberían investigar más a fondo First Solar. La empresa tiene una buena reputación. Además, su posición en el mercado le permitiría introducir nuevas tecnologías como las nanopartículas de alúmina para mejorar el rendimiento de sus productos. Como tal, First Solar es considerada por muchos como una “Compra Fuerte”.

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Las Nanopartículas de Alúmina Hacen los Paneles Solares Más Resilientes

La necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles ha provocado un aumento en la instalación de paneles solares durante la última década. Esta investigación reciente podría ayudar a impulsar aún más la adopción de sistemas solares al reducir costos y mejorar el rendimiento y la vida útil. Como tal, este equipo merece elogios por abrir la puerta a futuras innovaciones.

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Estudios Referenciados:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Estabilidad mejorada y homogeneidad electrónica en celdas solares de perovskita mediante una capa intermedia de óxido enterrado nanoingenierizada. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}