Drones alimentados con células fotovoltaicas de perovskita ultrafinas y flexibles

Un equipo de la Universidad Johannes Kepler de Linz (Austria) ha desarrollado células solares de perovskita de haluro de plomo de menos de 2,5 μm de grosor con una densidad de potencia fotovoltaica específica campeona de 44 W/g, y un rendimiento medio de 41 W/g, que pudieron integrar en módulos para alimentar drones tipo cuadricóptero del tamaño de la palma de la mano.

La tecnología mostró unos resultados de estabilidad prometedores en varias pruebas estándar, así como un potencial de captación de energía suficiente para recargar las baterías del vehículo. Los detalles de su investigación aparecen en “Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones“, publicado en Nature Energy.

El módulo fotovoltaico de gran superficie del estudio, que medía 24 cm2, permitía el funcionamiento autónomo del dron que se extendía “más allá de lo que es posible con una sola carga de batería, eliminando al mismo tiempo la necesidad de acoplamiento, carga anclada u otras formas de intervención humana”. Los módulos solares de perovskita sólo representaban 1/400 del peso total del dron.

El grupo probó varias combinaciones de yoduro de alfa-metilbencil-amonio (MBA) en la capa superior absorbente de perovskita, con PEDOT:PSS combinando las funciones de transporte de huecos y electrodo. Según los investigadores, la mayor duración de las distintas formulaciones de MBA incluía cesio (Cs), lo que indica “una reducción de las vías de recombinación no radiativa debida a la presencia de MBA y Cs”.

El sustrato era una lámina de polímero “ultrafina” y transparente sin óxido conductor de 1,4μm de grosor recubierta con una capa de óxido de aluminio de 100 nm. Servía de “barrera” contra la humedad y los gases.

“Este tipo de dispositivo no tiene espacio para los métodos de encapsulación típicos, que son demasiado gruesos. En su lugar, el equipo se basó en la formación de cristales grandes y voluminosos de la capa superior de perovskita MBA para pasivar eficazmente la superficie, y para el sustrato, la capa de óxido de aluminio aplicada con la herramienta de deposición de capas atómicas (ALD) sirve para proteger de las condiciones externas, pero sin dejar de ser ligera y flexible”, explicó a pv magazine el líder de la investigación, Martin Kaltenbrunner.

De hecho, el artículo señala, por ejemplo, que la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR) del “sustrato ultrafino recubierto se midió en un 35% menos” en comparación con los diseños de referencia, que eran dispositivos de yoduro de metilamonio y plomo (MAPbI3).

Otras características de la célula de perovskita son una capa de transporte de electrones hecha de éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM) con una capa intermedia de óxido de titanio, y un contacto metálico superior, que el grupo señaló que podría estar hecho indistintamente de oro, o cromo/oro, o aluminio de bajo coste.

“En nuestra investigación sobre la perovskita solar es importante utilizar precursores que se sinteticen en el menor número de pasos posible. Una síntesis sencilla es clave porque queremos que la tecnología sea escalable y mantener bajo control los costes de producción del material”, afirma Kaltenbrunner.

De la célula al módulo

La célula solar de perovskita de área reducida del estudio medía 0,1 cm2 con un circuito abierto de 1,13 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 21,6 mA cm-2, un factor de llenado del 74,3% y una eficiencia de conversión de potencia del 18,1%. Las células campeonas alcanzaron una tensión en circuito abierto de 1,15 V, un factor de llenado del 78% y una eficiencia del 20,1%.

El dispositivo más grande tenía un área activa de 1,0 cm2, con una tensión media en circuito abierto de 1,11 V, una densidad de cortocircuito de 20,0 mA cm-2, un factor de llenado del 65,9% y una eficiencia del 14,7%. El dispositivo campeón alcanzó una eficiencia del 16,3%, declaró el equipo de investigación.

El módulo para alimentar el dron tenía 24 células solares interconectadas de 1 cm2. El dron híbrido de energía solar autónomo, de tipo cuadricóptero y disponible en el mercado, pesaba sólo 13 g.

Se probaron la estabilidad y la operatividad prolongada en exteriores. Por ejemplo, las células solares no encapsuladas de pequeña y gran superficie mantuvieron el 90% y el 74% de su rendimiento inicial, respectivamente, tras 50 h de seguimiento continuo del punto de máxima potencia (MPPT) en aire ambiente. Además, un laboratorio externo validó el rendimiento y las propiedades de la composición de la perovskita.

El equipo afirma que ha demostrado las “ventajas más amplias de utilizar una capa activa de perovskita cuasi-2D” y que supera a “otras composiciones en este campo”, añadiendo que el rendimiento, la estabilidad y la facilidad de uso de la tecnología solar ultraligera de perovskita es una solución “portátil y rentable de captación de energía sostenible”.

Como sistema de carga de drones, supone un paso adelante en el camino hacia el “desarrollo de vehículos de funcionamiento perpetuo”, tanto para aplicaciones aeroespaciales como terrestres.

El equipo tiene planes para seguir investigando en esta línea. “Seguiremos trabajando para desarrollar la tecnología de sustrato de barrera de AlOx, técnicas de deposición escalables, y para escalar a módulos aún mayores, que midan al menos 10 cm X 10 cm. Nuestro objetivo es desarrollar soluciones fotovoltaicas ligeras y flexibles para alimentar todo tipo de robótica y vehículos autónomos”, afirma Kaltenbrunner. “Hay un gran potencial para la energía solar fotovoltaica desplegable y flexible tanto en aplicaciones terrestres como espaciales”.

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