Les perovskites revolucionen el camp de les cèl·lules solars
La perovskita va revolucionar els avenços en les cèl·lules solars i va potenciar una gran quantitat d’investigacions, com aquesta de la Universitat de UCLA, que usa la deposició química del vapor per a produir-les
© UCLA University
Els dispositius fotovoltaics, coneguts també com cèl·lules solars, dissenyats per convertir directament l’energia de la radiació solar en electricitat, no son precisament nous. De fet, al llarg de les darreres dècades s’han anat desenvolupant i perfeccionant diferents tipus de cèl·lules que han deixat de ser curiositats de laboratori per esdevenir comercialment viables. Emprant cèl·lules solars de silici cristal·lí, per exemple, s’ha arribat a eficiències de fins el 25% en la conversió de l’energia de la radiació solar en energia elèctrica. Les cèl·lules més sofisticades, basades en l’apilament de capes primes de diversos materials, han arribat a eficiències de fins el 40%. Tanmateix s’han aconseguit només a costa d’usar materials molt purs i unes tècniques de deposició que garanteixin una elevada cristal·linitat dels materials dipositats, fet que augmenta de manera desorbitada el preu de les cèl·lules i limita, per tant, el seu interès comercial.
El camp fotovoltaic va viure un boom a principi de segle quan es van desenvolupar les primeres cèl·lules solars orgàniques, que semblaven la solució a molts dels problemes tècnics trobats anteriorment, ja que es podien fabricar cèl·lules usant tècniques en dissolució típiques de la indústria dels plàstics, de molt menor cost que la deposició de capes fines requerida en les cèl·lules de silici. Malgrat l’esforç de recerca, l’eficiència d’aquests dispositius ha quedat estancada al voltant de l’11%, lluny dels valors necessaris per a fer-les atractives des d’un punt de vista econòmic. El mateix va passar amb les anomenades cèl·lules solars sensibilitzades per colorant, en què s’usa un colorant orgànic de baix cost per a absorbir l’energia solar que és utilitzada per a injectar electrons en una capa d’òxid de titani nanocristal·lí per produir el corrent elèctric.
A mitjan 2013, les cèl·lules de perovskita van revolucionar el camp de l’energia fotovoltaica. La primera es va fabricar al Japó l’any 2009, tractant una pel·lícula de TiO2 amb una solució que contenia CH3NH3I i PbI2 que va propiciar la formació d’una capa de nanocristalls de CH3NH3PbI3 recobrint la capa d’òxid de titani. Amb aquest material es van preparar cèl·lules solars que van presentar una eficiència modesta, al voltant del 3,9%. Aquestes cèl·lules, anomenades de perovskita per l’estructura cristal·lina del CH3NH3PbI3, que és anàloga a la de la perovskita, CaTiO3, on el grup CH3NH3 ocupa la posició dels cations de calci, el plom la del titani i el iode la de l’oxigen, van passar desapercebudes durant un parell d’anys fins que un grup d’enginyers químics coreans, optimitzant alguns dels paràmetres de la cèl·lula, va aconseguir pràcticament doblar la seva eficiència. A partir d’aquest moment, la majoria de grups que treballaven en el camp de les cèl·lules sensibilitzades per colorant van abocar les seves investigacions en el nou camp de les cèl·lules de perovskita i, només en un any, van aconseguir augmentar-ne l’eficiència fins a un espectacular 16,2%.
A més, les cèl·lules de perovskita tenen grans avantatges sobre les tradicionals de silici o de tel·lurur de cadmi, ja que es poden fabricar mitjançant tècniques en dissolució i evitar, així, processos costosos de deposició de sòlids, a part de prescindir d’elements escassos com el tel·luri en la seva composició.
Una de les aplicacions que es va presentar enguany va ser la de cèl·lules solars semitransparents que permetrien, en principi, convertir les finestres de grans edificis en dispositius fotovoltaics. Actualment, per a aconseguir cèl·lules transparents amb capes de silici cal reduir molt el gruix d’aquestes capes, procés que porta associada una disminució de l’eficiència de la cèl·lula. Per contra, les tècniques en dissolució usades per a fabricar les cèl·lules de perovskita han permès obtenir cèl·lules semitransparents utilitzant una estratègia diferent, en lloc d’aprimar la capa de material fotovoltaic s’hi generen forats que deixen passar parcialment la llum. Això s’aconsegueix dipositant una capa líquida dels precursors necessaris per a formar el TiO2 recobert amb la perovskita en un dissolvent adequat que, quan s’evapora, acaba deixant nanopartícules del material cristal·lí sobre el suport amb espai buit entre aquestes. Les cèl·lules aconseguides deixen passar aproximadament un 30% de la llum visible i alhora converteixen la radiació restant en electricitat, amb una eficiència mesurada sobre el total de la radiació incident del voltant del 4%.
Un nou fotocatalitzador per a l’obtenció de peròxid d’hidrogen
El peròxid d’hidrogen (H2O2), conegut popularment com aigua oxigenada, és un producte químic relativament comú que podem trobar en moltes farmacioles domèstiques, i que també té un paper important en la indústria química per a blanquejar el paper o com a oxidant en l’obtenció de productes químics bàsics, com l’òxid de propilè. Malgrat la seva importància econòmica, no s’ha trobat encara cap manera ideal de produir aquest reactiu clau en grans quantitats. Tanmateix un equip de la Universitat d’Osaka (Japó) va suggerir que un nou enfocament de la fotocatàlisi podria permetre desenvolupar un procediment de producció industrial.
Actualment, per a la síntesi de l’H2O2, s’utilitza el procés de l’antraquinona, que és un procés indirecte que requereix una seqüència d’operacions d’oxidació, destil·lació i hidrogenació amb un elevat cost d’operació. Altres processos alternatius per a obtenir de manera selectiva peròxid d’hidrogen han estat produir-lo en una única etapa catalitzada per nanopartícules metàl·liques, però amb l’inconvenient que requereix la combinació de H2 i O2 en estat gasós, fet que implica riscos importants en la producció a gran escala. Igualment, la fotocatàlisi per a convertir alcohols en H2O2 usant partícules d’òxids metàl·lics també s’havia descartat per la seva baixa selectivitat.
La gran innovació de l’equip japonès va ser utilitzar com a fotocatalitzador el nitrur de carboni grafític, un material polimèric que es pot obtenir fàcilment a partir de la cianamida. En els experiments presentats, l’activació d’aquest catalitzador amb llum visible permet obtenir H2O2 a partir de l’etanol amb una selectivitat de prop del 90%. S’espera, en un futur proper, que optimitzant el catalitzador es pugui obtenir el peròxid d’hidrogen a partir de l’aigua, com a font d’hidrogen, i usant directament la radiació solar com a font d’energia. En cas d’aconseguir aquesta fita, el procés permetria obtenir aquest reactiu d’una manera "verda", eficient i descentralitzada i evitar, així, els costos i els riscos associats al transport de substàncies químiques.
B40–: el primer ful·lerè de bor
El primer boroesferè (dreta) que s’ha pogut sintetitzar i estudiar, el B40–, té una estructura molt diferent de la dels ful·lerens de carboni (esquerra), coneguts des del 1985
El descobriment del buckminsterful·lerè (C60) el 1985 va iniciar una nova era en la química amb l’interès centrat en la "construcció" d’estructures complexes usant els àtoms de carboni com a peces bàsiques. Trenta anys després, qualsevol estudiant de química ja està familiaritzat amb ful·lerens, nanotubs, grafens i altres estructures complexes que s’han anat obtenint, de manera reproduïble i en quantitats macroscòpiques, d’aquestes noves formes de carboni. En la recerca per a obtenir estructures similars emprant àtoms d’altres elements que no siguin el carboni, el bor, un element veí del carboni en la taula periòdica i que dóna lloc a una gran quantitat de molècules, els borans, amb estructures complexes amb una gran varietat de formes, es va considerar un candidat ideal. Les coses, però, no van ser senzilles, i malgrat els grans esforços dedicats a sintetitzar molècules Bn amb estructures més o menys esfèriques com els ful·lerens només es van poder obtenir clústers Bn amb n entre 3 i 36, tots pràcticament bidimensionals, és a dir, amb tots els àtoms de bor distribuïts en un mateix pla.
Per tant no és estrany que, quan aquest 2014 es va identificar per primera vegada el primer boroesferè o ful·lerè de bor (B40–) amb una estructura tridimensional, el descobriment fos considerat una fita remarcable. La sorpresa per als investigadors implicats va ser, però, que en determinar-ne l’estructura, aquesta seguia un patró molt diferent del trobat per als ful·lerens de carboni. El principi estructural en què es basen aquests darrers és el de combinar hexàgons i pentàgons de carboni per acabar donant formes més o menys esfèriques. De fet, es pot demostrar matemàticament que en qualsevol ful·lerè hi haurà exactament 12 pentàgons i un nombre arbitrari d’hexàgons, 20 en el cas del C60, i que, en general, es compleix l’anomenada regla dels pentàgons aïllats, que prediu que les estructures més estables seran aquelles en les quals no hi hagi pentàgons compartint una aresta comuna.
Per contra, el primer boroesferè que s’ha pogut sintetitzar té una arquitectura molt diferent, que pot ser descrita com una caixa més o menys cúbica amb dos hexàgons a les cares superior i inferior i quatre cares heptagonals als costats, amb una malla formada per 48 triangles que uneixen les sis cares del cub. Els enllaços B-B que formen aquesta malla són també força exòtics i els càlculs revelen l’existència tant d’enllaços π com σ deslocalitzats, amb electrons compartits per tres, cinc, sis o fins i tot set àtoms de bor. Aquests càlculs mostren també que la molècula neutra, B40, hauria de ser estable, tot i que la tècnica utilitzada per a estudiar aquests compostos, l’espectrometria de masses, només permet detectar molècules carregades i per això només s’ha pogut estudiar l’anió. A part de poder sintetitzar més boroesferens, l’esperança dels investigadors involucrats en aquest estudi és poder sintetitzar-ne quantitats macroscòpiques, ja que preveuen que, de la mateixa manera que per als ful·lerens de carboni, hi pot haver moltes aplicacions tecnològiques per a aquests compostos en els camps de la medicina i l’electrònica.