Los paneles solares impresos podrían generar energía a partir de la infraestructura existente

Aug 22, 2023

Universidad de Swansea

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Mientras el mundo se apresura a cambiar a fuentes de energía renovables, las inversiones en energía solar se están acelerando. Aunque la tecnología ha estado disponible comercialmente desde hace algunas décadas, el ritmo de su adopción a menudo se ha visto frenado por limitaciones como el costo o la falta de disponibilidad de terrenos para grandes parques solares.

Las células basadas en perovskita son la última incorporación a la energía fotovoltaica y su llegada ha ayudado a los investigadores a mejorar enormemente la conversión de energía de las células solares.

Investigadores del Centro de Ingeniería de Productos Sostenibles para Recubrimientos Industriales Funcionales Innovadores (SPECIFIC), un centro de conocimiento e innovación de la Universidad de Swansea en el Reino Unido, han llevado las células solares basadas en perovskita un paso más allá al hacerlas compatibles con el proceso de fabricación rollo a rollo utilizado. en la fabricación de células solares impresas.

Se espera que este avance reduzca aún más el costo de fabricar paneles solares basados ​​en perovskita, mejorando así su adopción.

Interesting Engineering habló con David Beynon, director de investigación senior de SPECIFIC. Beynon nos explicó el proceso de producción convencional de células solares basadas en perovskita y explicó cómo este proceso podría reemplazarse por algo más propicio para la impresión rollo a rollo para la producción a gran escala.

Puerta de la investigación

La entrevista ha sido editada ligeramente para mayor claridad.

Ingenieria interesante: ¿Por qué son importantes las células solares imprimibles? ¿Qué ventajas ofrecen sobre las células solares normales?

David Beynon: Existe una necesidad de energía renovable con bajas emisiones de carbono a medida que nos alejamos de los combustibles fósiles y, por lo tanto, la demanda de generación de energía solar está creciendo. La energía fotovoltaica de silicio es una tecnología establecida cuya instalación está aumentando a nivel mundial; sin embargo, estos paneles solares requieren mucha energía para su fabricación, son rígidos y susceptibles a sufrir daños, particularmente durante el transporte.

Existe potencial para que las células solares de perovskita mejoren la eficiencia de la energía fotovoltaica de silicio existente mediante la fabricación de células en tándem de silicio-perovskita; este es el objetivo de empresas como Oxford PV. Sin embargo, nuestra investigación sobre la impresión rollo a rollo de células solares de perovskita flexibles tiene la ventaja de una fabricación de gran volumen y bajo costo sobre sustratos plásticos flexibles robustos que son fáciles de transportar e implementar.

¿Qué es la tinta para electrodos de carbón y cómo se fabrica?

En las células solares de perovskita, normalmente se depositan las capas semiconductoras y de perovskita fotoactiva y luego se coloca un electrodo de metal evaporado para completar la célula fotovoltaica.

La evaporación del electrodo, típicamente un metal precioso como el oro, se lleva a cabo en una cámara de vacío donde el metal se calienta hasta que se evapora pasando a través de una máscara para condensarse sobre la muestra. Este es un proceso derrochador y de alto costo que no es compatible con la impresión rollo a rollo de alta velocidad.

La tinta del electrodo de carbono reemplaza este proceso, lo que permite la impresión rollo a rollo de la pila completa del dispositivo de perovskita, de modo que la película plástica pueda introducirse en la prensa de impresión y al final salgan células solares completas.

La tinta de carbón está específicamente formulada para ser compatible con el material de perovskita y el proceso de recubrimiento por ranura mediante la combinación de partículas de carbón conductoras, aglutinantes poliméricos y solventes.

La combinación de polímero y disolvente se controla cuidadosamente para que la tinta pueda fluir a través del cabezal de recubrimiento para producir electrodos continuos que se forman cuando el disolvente se evapora dejando el carbón conductor unido por el aglutinante polimérico.

Universidad de Swansea

¿Cuál es la tasa de producción que ha logrado en el laboratorio? ¿Cómo se compara con los métodos de producción convencionales?

Operamos a escala piloto con una producción rollo a rollo con un procesamiento estandarizado a una velocidad de 1 m/min, aunque tenemos la capacidad de aumentar el rendimiento, lo que da una producción de 18 000 cm2 en 20 minutos en comparación con el método típico de recubrimiento por rotación donde se pueden obtener 156 cm2. recubierto en el mismo período de tiempo.

Incluso a esta escala de laboratorio, la tasa de producción de impresión es 115 veces mayor que la del recubrimiento de perovskita convencional.

Las eficiencias de conversión de energía que utilizan células solares de perovskita son bastante altas en la actualidad. ¿Su método de producción ha impactado la eficiencia?

Nuestras células recubiertas rollo a rollo tienen una eficiencia superior al 10%, un gran logro para esta primera demostración de esta tecnología, pero está por detrás de las eficiencias récord logradas ahora con las células solares de perovskita.

Esta discrepancia se debe en parte al proceso, al mayor tamaño de los dispositivos y a la falta de selectividad en la selección de muestras; sin embargo, también se debe en parte a nuestra filosofía de trabajar sólo con sistemas verdaderamente escalables.

Universidad de Swansea

Esto limita las químicas que podemos seleccionar, ya que solo utilizamos solventes de menor toxicidad y nuestra producción se realiza completamente en aire ambiente (con control de humedad), a diferencia de los ambientes altamente controlados de cajas de guantes de nitrógeno seco que se emplean para las celdas de mayor eficiencia.

¿Su equipo está trabajando para mejorar la eficiencia de las células solares?

Sí, con esta primera demostración, tenemos una plataforma para usar como base para mejorar el procesamiento, la química y las capas intermedias. Estamos trabajando para mejorar todas las capas de la pila de dispositivos, incluida la sustitución del material de perovskita por materiales de perovskita multicatión de mayor rendimiento.

¿Qué tipo de ahorro se puede esperar al producir células solares utilizando su método?

Es difícil cuantificar simplemente los ahorros, ya que todavía no estamos viendo las economías de escala mediante la compra en los volúmenes necesarios para la producción comercial, pero estamos en el proceso de una evaluación tecnoeconómica. Sin embargo, el proceso de producción es análogo a la impresión de envases, con un coste por metro cuadrado extremadamente bajo.

¿Qué nuevas aplicaciones son posibles ahora utilizando sus células solares imprimibles?

Las nuevas aplicaciones vienen dadas por los volúmenes, la flexibilidad, el bajo peso y, por tanto, la facilidad de instalación. Esto permite que superficies que antes no podían aceptar células solares se utilicen para la generación de energía, especialmente en el entorno construido, mediante diseño y modernización.

Estos paneles solares de perovskita flexibles podrían aplicarse a superficies curvas, techos, fachadas y politúneles, aprovechando las estructuras existentes para la generación de energía y evitando las complicaciones de los deseos competitivos por el uso de la tierra.

Gannet77/iStock

¿Cómo planea ampliar la adopción de la tecnología?

Estamos explorando la concesión de licencias de nuestra tecnología y tenemos asociaciones industriales y académicas estratégicas para acelerar la adopción comercial.

¿Cómo fue la experiencia trabajando en un equipo multidisciplinario?

Trabajar en un equipo multidisciplinario es un placer y siempre es más productivo trabajar en colaboración con un equipo que aporta una variedad de habilidades y perspectivas para unir todos los aspectos.

Particularmente en este proyecto, era fundamental contar con expertos en técnicas de análisis especializadas, como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la fotoluminiscencia, que aportaran análisis expertos y nuevas metodologías para aplicar el análisis para comprender lo que sucede a escala atómica en un área amplia. Luego, haber identificado factores críticos que aportan soluciones desde las perspectivas de materiales, formulación y procesamiento.