El equipo de investigación de la Facultad de Ingeniería (SENG) de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) ha logrado un gran avance, introduciendo una estrategia de diseño biomimético multiescala integral para superar con éxito los desafíos clave de la comercialización de celdas solares de perovskita: el problema de la estabilidad operativa a largo plazo. Los resultados de la investigación se publicaron en un artículo titulado "Diseño multiescala bioinspirado para celdas solares de perovskita" en Nature Reviews Clean Technology, abriendo una nueva ruta para el desarrollo de la tecnología solar.
Las celdas solares de perovskita muestran un gran potencial para reducir los costos de la energía solar gracias a su proceso de fabricación de baja temperatura y basado en soluciones. Sin embargo, problemas operativos como la adhesión interfacial insuficiente, la fragilidad mecánica y la sensibilidad a las presiones ambientales (como calor, humedad y rayos ultravioleta) han obstaculizado seriamente su viabilidad comercial. Estos problemas involucran diversas escalas de longitud desde picómetros hasta centímetros, y los factores estructurales multiescala tienen un impacto significativo en la estabilidad y el rendimiento de la batería.
Para resolver estos desafíos, el profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Química y Biológica y subdirector del Instituto de Energía de HKUST, Yuan Yuan Zhou, y su grupo de investigación, en colaboración con socios de instituciones líderes en EE.UU. y Suiza, se inspiraron en la naturaleza. Creyeron que las estructuras funcionales estratificadas en la naturaleza, como las estructuras en las hojas, podrían inspirar el desarrollo de tecnologías solares eficientes, de bajo costo, resilientes y adaptables a los cambios ambientales.
La estrategia integral propuesta por el equipo de investigación abarca múltiples niveles: a nivel molecular, utilizando interacciones moleculares biomiméticas para controlar la cristalización y ralentizar la degradación; a nivel microscópico, logrando autorreparación y fortalecimiento de la interfaz mediante enlaces dinámicos; a nivel de dispositivo, adoptando estructuras funcionales bioinspiradas, como ojos de polilla, transpiración de hojas y exoesqueleto de escarabajo, para mejorar la gestión de la luz, la disipación de calor y la protección ambiental.
Basados en los últimos avances en el campo del diseño de interfaces biomiméticas, el equipo de investigación ha logrado progresos de referencia. Utilizaron R-/S-metilbencilamonio para crear una interfaz quiral, donde los anillos de benceno dispuestos en espiral simulan resortes biológicos, mejorando significativamente la durabilidad mecánica de las celdas solares de perovskita; este resultado se publicó en la revista Science. Además, el equipo desarrolló una microestructura superficial multicapa similar a la superficie celular, que suprime eficazmente defectos y mejora el alineamiento de niveles de energía, aumentando así la eficiencia y la estabilidad en condiciones de humedad y calor; este resultado se publicó en Nature Synthesis.
Estas investigaciones destacan el gran potencial de la biomimética y la ingeniería estratificada para resolver limitaciones fundamentales de las celdas solares de perovskita (incluyendo adhesión, fatiga e interfacial degradación). El marco de diseño multiescala también enfatiza la sostenibilidad, priorizando materiales de baja toxicidad compatibles con la economía circular.
El equipo del profesor Zhou indicó que la investigación futura se centrará en seleccionar moléculas biomiméticas para obtener la mejor cristalización y estabilidad de películas delgadas, desarrollar mecanismos de autorreparación activados por presiones operativas, diseñar microestructuras biológicas rentables y integrar encapsulados multifuncionales para mejorar la eficiencia y la vida útil de las celdas solares de perovskita.
El primer autor del artículo, el Dr. Tianwei Duan, profesor asistente de investigación del Departamento de Ingeniería Biológica de HKUST, dijo: "Esto no se trata solo de nuevos materiales; representa un nuevo enfoque para la tecnología solar inspirado en la naturaleza. Al integrar estructuras biomiméticas, funciones y sostenibilidad, estamos emocionados por el nuevo capítulo que se avecina en el campo de la energía solar".
Actualmente, el equipo está colaborando con la Universidad de Yale, el Instituto Federal de Tecnología de Lausana y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para impulsar conjuntamente el proceso de comercialización de la tecnología de celdas solares de perovskita.
