La IA reduce el coste de producción de nuevas células solares a 2,16 dólares

Los materiales de perovskita se encuentran desde hace años entre los candidatos más importantes para la próxima generación de energía fotovoltaica. Sus propiedades ópticas y electrónicas pueden modificarse enormemente cambiando su composición química y pueden absorber la luz de manera muy eficaz. El camino del laboratorio a la producción sigue siendo difícil. En particular, los nanocristales deben producirse con dimensiones controladas, una distribución dimensional lo más estrecha posible y superficies reproducibles. Incluso pequeñas desviaciones de temperatura, concentración o ligandos pueden cambiar el resultado. Por lo tanto, los procesos de síntesis clásicos suelen producir muestras de alta calidad en pequeñas cantidades, pero son complejos y costosos. El equipo de investigación de la Universidad de Soochow ha desarrollado una producción a temperatura ambiente que se activa mediante una reacción química específica. Luego, un modelo de aprendizaje automático utiliza los datos experimentales para adaptar más rápidamente la composición a las propiedades deseadas.

La atención se centra en los nanocristales fabricados a partir de una perovskita de haluro que contiene plomo. Entre otras cosas, los investigadores están cambiando la proporción entre ácido octanoico y formamidinio como material de partida. Este parámetro influye en cuándo se forman los núcleos cristalinos y en cómo crecen posteriormente las partículas. En lugar de probar combinaciones exclusivamente manualmente con largas series de experimentos, el equipo combina la síntesis automatizada con el aprendizaje automático. El estudio publicado en Nature Communications describe este enfoque como un marco acelerado por IA para la fabricación dirigida. Es fundamental que la química optimizada no se limite a un pequeño recipiente de laboratorio. Se puede transferir a un sistema de flujo continuo donde se suministran continuamente materias primas y se producen nanocristales de forma continua.

¿Por qué los nanocristales son tan caros hasta ahora?

El método de inyección en caliente, ampliamente utilizado en laboratorios de investigación, requiere un control preciso de la temperatura y una rápida adición de sustancias precursoras. Es ideal para producir nanocristales de alta calidad, pero resulta menos atractivo para grandes volúmenes de producción. Los autores estiman el coste de su síntesis comparativa en 118,81 dólares por gramo de nanocristales. El nuevo proceso a temperatura ambiente reduce los requisitos energéticos y es compatible con la síntesis de flujo. En el cálculo de costes del estudio, el valor cae a 2,16 dólares por gramo. Esta cifra se refiere al material nanocristalino producido y no al precio total de un módulo solar terminado. Los sustratos, electrodos, encapsulación, sistemas, pasos de trabajo y control de calidad son factores adicionales para una célula solar comercial. La clara diferencia demuestra una vez más el potencial de ahorro que puede haber en la producción de materiales.

El aprendizaje automático busca la proporción de mezcla adecuada

Una ventaja de la inteligencia artificial es que el desarrollo material tiene muchas variables interdependientes. Si solo se cambia una concentración, el tamaño del cristal, el estado de la superficie y la densidad del defecto pueden reaccionar simultáneamente. Luego, el modelo evalúa los resultados de la prueba y busca combinaciones que produzcan el tamaño de partícula y la distribución de tamaño deseados. No reemplaza la experimentación. Aún es necesario elaborar y medir propuestas. El aprendizaje automático acorta principalmente la búsqueda en un gran espacio de parámetros. Este principio se utiliza cada vez más en la investigación de materiales porque la automatización del laboratorio puede generar datos en forma estandarizada. La combinación es especialmente interesante en el caso de la energía fotovoltaica, porque posteriormente las condiciones de producción deben poder trasladarse a grandes cantidades. Por lo tanto, el nuevo trabajo vincula la optimización digital directamente con un proceso de fabricación continuo y no solo con muestras de laboratorio individuales.

Las células solares construidas con él alcanzan el 19,37%.

Una síntesis económica tendría poco valor si los cristales resultantes no permitieran componentes de alto rendimiento. Luego, los investigadores produjeron células solares a partir de nanocristales optimizados. La eficiencia más alta medida fue del 19,37%. Según los autores, esto significa que las células alcanzan valores al nivel de la energía fotovoltaica nanocristalina de alto rendimiento. Sin embargo, la autonomía récord de las células solares tándem modernas es significativamente mayor, ya que aquí se combinan varios absorbentes. Recientemente se describió en forschung-und-wissen.de una celda en tándem de perovskita-silicio con una eficiencia del 35,5%. El nuevo trabajo persigue un objetivo diferente. No maximiza el récord mundial absoluto, sino que intenta producir nanocristales de forma reproducible, escalable y significativamente más económica.

Por qué la escalabilidad es crucial para la perovskita

Muchos registros fotovoltaicos se crean en áreas muy pequeñas bajo condiciones controladas de laboratorio. Sin embargo, para uso industrial, los mismos materiales deben procesarse sobre sustratos grandes y a altas velocidades. Los nanocristales plantean requisitos especiales, ya que sus propiedades pueden verse influenciadas por una diferencia de tamaño de tan solo unos pocos nanómetros. La síntesis de flujo continuo ofrece ventajas aquí. La temperatura, la velocidad de mezcla y los flujos de material se pueden mantener constantes mientras el producto emerge continuamente del reactor. Al mismo tiempo, un sistema automatizado puede detectar desviaciones más rápidamente y ajustar los parámetros del proceso. También existen problemas de escala similares con las tecnologías solares flexibles. Un artículo existente sobre módulos solares flexibles pegados muestra que, además de la eficiencia, lo que determina sobre todo si están listos para el mercado es la producción de superficies grandes y uniformes.

La contabilidad de costos aún no es un precio de módulo

Por tanto, la importante reducción de costes no debe equipararse a una disminución del precio de los módulos fotovoltaicos terminados. Los 2,16 dólares por gramo proceden de un análisis de costes de los materiales de síntesis. Las instalaciones industriales tienen costes adicionales y los nanocristales de perovskita deben estabilizarse a largo plazo frente a la humedad, el oxígeno, el calor y la luz intensa. El uso de plomo también sigue siendo un desafío para la encapsulación y el reciclaje. Los autores informan de una mejor estabilidad del dispositivo, pero los paneles solares comerciales deben sobrevivir al aire libre durante muchos años. Por ello, el camino desde una célula de laboratorio exitosa hasta una producción en serie certificada pasa por extensas pruebas de envejecimiento. Sin embargo, el trabajo aborda un punto central. Un material puede ser técnicamente excelente y aun así fallar si su producción es demasiado costosa o demasiado sensible para grandes volúmenes de producción.

La inteligencia artificial se convierte entonces en una herramienta de producción y no en una simple simulación.

El nuevo estudio muestra un cambio en el papel de la inteligencia artificial en la investigación de materiales. El modelo no sólo se utiliza para predecir propiedades teóricamente. Está directamente relacionado con un proceso de síntesis real y ayuda a optimizar las condiciones químicas. La publicación de los investigadores involucrados combina tres fases de desarrollo que a menudo se examinan por separado: química de materiales, aprendizaje automático y fabricación escalable. Que esto dé como resultado células solares comerciales de IA depende principalmente de la estabilidad a largo plazo, el procesamiento a gran escala y la integración en módulos completos. Sin embargo, la gran diferencia de costos en la producción de nanocristales demuestra que optimizar el proceso de fabricación puede ser al menos tan importante como establecer el próximo récord de eficiencia.

Nature Communications, síntesis escalable de nanocristales acelerada por IA para energía fotovoltaica rentable; doi:10.1038/s41467-026-78268-4

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