El equipo de investigación científica de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur anunció recientemente que ha desarrollado un tipo de célula solar de perovskita translúcida y ultrafina con un espesor de sólo unos 10 nanómetros, aproximadamente una diezmilésima parte de un cabello humano. Es aproximadamente 50 veces más delgada que las celdas de perovskita convencionales, pero aún mantiene la eficiencia de conversión fotoeléctrica líder entre los dispositivos ultradelgados. Se espera que se integre directamente en superficies transparentes como vidrio de edificios, ventanas de automóviles e incluso vidrios inteligentes, convirtiendo el vidrio originalmente de "iluminación pasiva" en un portador de energía para la generación de energía sostenible.

Un importante obstáculo práctico para el despliegue a gran escala de la energía solar en las ciudades es "dónde colocar los paneles". Los módulos fotovoltaicos tradicionales no sólo son opacos y pesados, sino que también requieren vidrio protector, capas de encapsulación, soportes metálicos y estructuras de instalación. Un panel doméstico estándar pesa entre 18 y 23 kilogramos y tiene una potencia de entre 350 y 450 vatios. Es casi irreal que un gran edificio de oficinas sea "autosuficiente" con energía fotovoltaica en los tejados. Muchas ciudades de alta densidad también carecen de grandes áreas de espacio abierto para instalar plantas de energía fotovoltaica. Cubrir el exterior del muro cortina de vidrio con paneles fotovoltaicos opacos y pesados ​​no sólo cambia la apariencia del edificio, sino que también afecta la iluminación y el rendimiento térmico. Por lo tanto, la forma de aprovechar la gran superficie de vidrio siempre ha sido la dirección de la investigación en tecnología fotovoltaica transparente.

El plan del equipo de NTU es utilizar perovskita, el "material estrella" en el campo fotovoltaico de la última década. Este tipo de material cristalino tiene costos de preparación potencialmente bajos, alta eficiencia teórica y aún puede mantener un buen rendimiento de generación de energía en condiciones de poca luz y luz dispersa. Es muy adecuado para entornos de cañones urbanos con edificios altos y sombras escalonadas. Puede seguir generando electricidad en orientaciones no óptimas y en períodos de luz solar no intensa, compensando las deficiencias de las células tradicionales basadas en silicio que dependen en gran medida de la luz solar directa. En el experimento, el equipo de investigación preparó capas de absorción de perovskita ultrafinas con espesores de 10, 30 y 60 nanómetros. La eficiencia de conversión fotoeléctrica del dispositivo opaco en estos tres espesores alcanzó aproximadamente el 7%, 11% y 12% respectivamente. Sobre esta base, también fabricaron un dispositivo translúcido de 60 nanómetros de espesor con una eficiencia del 7,6%, al mismo tiempo que transmitía aproximadamente el 41% de la luz visible, encontrando un equilibrio entre el "paisaje exterior visible" y la "capacidad sustancial de generación de energía".

En comparación con los módulos solares tradicionales con una eficiencia de más del 20% en el mercado, este número no es deslumbrante, pero su atractivo a nivel de sistema es obviamente diferente bajo la premisa de que el dispositivo tiene casi "peso cero", puede funcionar con poca luz y puede integrarse directamente en la estructura de vidrio. Más importante aún, los dispositivos de NTU son de "color neutro" y no aportan tintes ni tintes de color obvios al vidrio. El aspecto sigue siendo similar al del vidrio transparente normal, lo que es especialmente crítico en los edificios modernos que prestan atención a los efectos de la fachada. El equipo de investigación señaló que al controlar con precisión el espesor de deposición de la capa de perovskita, el equilibrio entre transparencia y eficiencia se puede ajustar durante la etapa de fabricación para adaptarse a las necesidades de diferentes escenarios de aplicación.

Otro punto destacado de este trabajo es el proceso de preparación. El equipo no utilizó procesos húmedos como el recubrimiento por rotación de solución que son comunes actualmente en los laboratorios, sino que adoptó una tecnología de evaporación térmica al vacío industrialmente madura: calentar el material en una cámara de vacío para vaporizarlo y depositarlo en una capa ultrafina en la superficie del sustrato. Los investigadores dijeron que esta es la primera vez que células solares de perovskita ultrafinas se preparan íntegramente mediante un proceso de vacío. Esta tecnología se ha utilizado ampliamente en las industrias de semiconductores y pantallas. Puede lograr áreas grandes, espesores altamente uniformes y películas sin solventes, lo que tiene ventajas obvias para la futura producción a gran escala y el control del rendimiento.

Según las estimaciones del equipo de investigación, si esta tecnología se amplía con éxito en ingeniería y se integra en los muros cortina de vidrio de edificios de gran altura, como toda la fachada de vidrio de un edificio súper alto como el One World Trade Center de Nueva York, en teoría podría generar millones de kilovatios-hora de electricidad al año, lo que equivale aproximadamente al consumo de electricidad de 40 hogares estadounidenses promedio durante un año. Annalisa Bruno, líder del equipo y profesora asociada de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas y de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTU, señaló que dado que alrededor del 40 % del consumo mundial de energía proviene del entorno construido, las tecnologías que convierten sin problemas las superficies de los edificios en activos generadores de energía son cada vez más urgentes.

Sin embargo, el camino hacia la realidad todavía está lleno de desafíos. Aunque la perovskita fotovoltaica ha batido repetidamente récords de eficiencia en el laboratorio, siempre se ha visto preocupada por el "problema de la vida útil" en el camino hacia la comercialización: el material es sensible al vapor de agua, el oxígeno, el calor y los rayos ultravioleta, y es propenso a degradarse cuando se expone al ambiente exterior durante mucho tiempo. Cómo mantener un rendimiento estable durante muchos años de funcionamiento es un obstáculo técnico reconocido en este campo. Sam Stranks, profesor de la Universidad de Cambridge que no participó en la investigación, comentó que los resultados son alentadores, pero el siguiente paso clave es verificar la estabilidad a largo plazo, la durabilidad y el rendimiento del dispositivo de gran superficie. Todavía existe una gran brecha de ingeniería entre la fabricación de muestras de alto rendimiento en áreas pequeñas en el laboratorio y la producción real de decenas de miles de metros cuadrados de "vidrio para generación de energía".

Aún así, si finalmente se resuelven los problemas de durabilidad y ampliación, el impacto potencial podría ser de gran alcance. Las fachadas de las ciudades modernas están cubiertas por una gran cantidad de vidrio. Además de la iluminación, estos vidrios también aumentarán la carga de refrigeración dentro del edificio. Si incluso una parte de ellos pudiera convertirse en unidades de generación de energía invisibles, se abriría una nueva red de energía urbana distribuida sin ocupar terreno adicional. El equipo de NTU cree que las perspectivas de aplicación no se limitan a las fachadas de los edificios, sino que también pueden extenderse a los cristales de los vehículos, los tragaluces, los dispositivos electrónicos portátiles, las gafas inteligentes y otros escenarios. Se espera que la energía fotovoltaica, liviana y translúcida, permita que algunos dispositivos continúen cargándose lentamente bajo la luz ambiental diaria sin exponer deliberadamente los tradicionales "paneles negros".

El equipo de investigación científica ha presentado una solicitud de patente para este tipo de estructura de película de perovskita ultrafina a través de NTUitive, la institución de transformación tecnológica de la Universidad Tecnológica de Nanyang, y está trabajando con socios de la industria para verificar y estandarizar su proceso de evaporación térmica para sentar las bases para la industrialización posterior. Actualmente, esta tecnología está todavía en fase de investigación, pero ha dado un paso clave en la dirección de la "fotovoltaica invisible" y también añade una imaginación más realista al nuevo panorama energético urbano de "dejar que las ventanas generen su propia electricidad".