Nueva tecnología para remanufacturar células solares de perovskita recicladas

Un grupo de científicos ha desarrollado un novedoso método para refabricar células solares de perovskita (PSC, por sus siglas en inglés) con electrodos basados en carbono (CPSM). Describen la remanufacturación, a diferencia del mero reciclaje, como la combinación de piezas reutilizadas, recicladas, reparadas o sustituidas para fabricar un nuevo producto.

“En este trabajo demostramos por primera vez una estrategia de refabricación de células solares de perovskita encapsuladas en vidrio”, afirman. “Nuestro estudio presenta un método experimental sencillo para eliminar el sellador de bordes, el encapsulante, el electrodo posterior y la perovskita degradada, lo que permite reutilizar los componentes del dispositivo”.

Inicialmente investigaron qué materiales de un módulo se asocian a un alto impacto ambiental. El módulo que analizaron -del que dicen que tiene un alto potencial de comercialización- incluye un electrodo frontal de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), dióxido de titanio compacto y mesoporoso (c-TiO2 y m-TiO2, respectivamente), dióxido de circonio (ZrO2) y un electrodo posterior de carbono. El dispositivo está encapsulado con olefinas termoplásticas (TPO), un sellado de bordes a base de poliisobutileno (PIB) y una lámina posterior de vidrio.

“Sólo una pequeña parte de la contribución al potencial de calentamiento global (PCG) de la pila de células procede de los propios materiales (5%), mientras que la mayor parte se origina en la energía y los disolventes utilizados para depositar estas capas”, afirman. “La principal reducción del GWP puede lograrse reutilizando o reciclando el vidrio (frontal y posterior), lo que puede reducir potencialmente el GWP de las PSM hasta un 53% y un 52%, respectivamente. Los componentes de las células fotovoltaicas (y su energía incorporada) contribuyen relativamente poco a la huella de carbono global”.

Los académicos también determinaron qué componentes merecían la pena. En primer lugar, calentaron la célula de 120 ºC a 140 ºC, para facilitar la separación mecánica del vidrio de la lámina posterior del FTO. A continuación, dejaron que los sustratos de vidrio se enfriaran a temperatura ambiente antes de eliminar el encapsulante.

Para disolver el encapsulante de TPO y PIB, los colocaron en acetona durante una hora y los despegaron. Después, sumergieron los dispositivos en un baño de metilamina (MA0) y etanol para licuar y lavar la perovskita, la parte con más probabilidades de deteriorarse en menos tiempo.

“La eliminación de la perovskita y el carbono permite reutilizar las capas de óxido metálico (TiO2, ZrO2) depositadas sobre la FTO para remanufacturar los CPSC encapsulados”, explicaron. “La morfología y el grosor de la capa se conservan. Por lo tanto, la deposición de carbono y la infiltración de la solución de perovskita, seguidas de la encapsulación con TPO y PIB pueden realizarse de nuevo para completar el bucle de remanufacturación.”

Aunque la célula solar reciclada tenía una eficiencia de conversión de potencia del 11,7% tras el proceso de refabricación, conservaba el 88% de la eficiencia original. Dada la eficiencia y los recursos necesarios para el proceso, eso supuso una reducción del 24% del GWP. Si el proceso se optimiza aún más, y el PCE sigue siendo el mismo tras la refabricación, el descenso del GWP puede alcanzar el 33%.

“Nótese que, a pesar de que la reutilización total de las piezas constituye el 62,4% del GWP, la reducción del GWP (en comparación con los módulos vírgenes) debida a la refabricación es sustancialmente menor”, señalan los investigadores. “Esto se debe a los procesos adicionales necesarios para la refabricación. Predominantemente, el tratamiento químico en baños de MA0/EtOH y acetona, pero también la separación mecánica asistida por temperatura de los sustratos de vidrio y el recocido a 400 ºC dan lugar a emisiones de CO2-eq no despreciables”.

Los investigadores también determinaron que la huella de CO2 de la electricidad generada por los sistemas remanufacturados podría ser inferior a la del c-Si. En las condiciones de Friburgo (Alemania) y una generación anual de 1.429,2 kWh/m2, el sistema remanufacturado necesitó 10,7 años para tener unas emisiones de CO2 por kilovatio-hora inferiores a las de los módulos c-Si. Esto contrasta con los más de 16 años de los módulos vírgenes usados. Si la eficiencia de la fotovoltaica de perovskita alcanza la de los módulos de c-Si, la huella de los remanufacturados será menor al cabo de cinco años.

“La estrategia de refabricación utiliza disolventes y tratamientos que no descomponen los componentes inorgánicos de los dispositivos, como las capas de óxido metálico”, afirma el grupo académico. “Así pues, este enfoque también puede aplicarse a una amplia gama de dispositivos n-i-p y a algunos basados en p-i-n inorgánicos, para los que esperamos reducciones similares del GWP”.

Presentaron sus conclusiones en “Remanufacturing Perovskite Solar Cells and Modules-A Holistic Case Study” (Remanufactura de módulos y células solares de perovskita: un estudio de caso holístico), publicado recientemente en ACS Sustainable Resource Management. El grupo de investigación estaba formado por científicos del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) de Alemania, la Universidad de Friburgo y la Universidad Philipps de Marburgo, Solaronix de Suiza y la Escuela Politécnica Federal de Lausana. También participaron investigadores de Energy21 (Países Bajos), la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y la Universidad Abdelmalek Essaadi de Marruecos.