La perovskita solar encuentra una vía para superar uno de sus grandes obstáculos comerciales: la degradación por la luz

Un equipo de investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), en colaboración con científicos de la Universidad de Zhejiang, ha identificado uno de los mecanismos que aceleran el envejecimiento de las células solares de perovskita cuando se exponen a la luz y ha desarrollado una solución para frenar este proceso. El avance aborda uno de los principales obstáculos para la comercialización a gran escala de esta tecnología fotovoltaica, que destaca por su elevada eficiencia, bajo coste de fabricación, ligereza y versatilidad.

La investigación ha permitido descubrir que la degradación de estos dispositivos no depende únicamente de los defectos presentes en el material, sino también de cómo interactúan los pequeños cristales que forman su estructura. En concreto, los científicos han demostrado que los desequilibrios en las pérdidas de carga entre cristales vecinos aceleran el deterioro de determinadas zonas de la célula durante su funcionamiento bajo la luz solar.

Para corregir este problema, el equipo ha desarrollado un tratamiento capaz de reparar los defectos que se producen en las uniones entre esos cristales y equilibrar el comportamiento de las cargas eléctricas. Los dispositivos tratados alcanzaron una eficiencia de conversión del 26,55% y conservaron más del 90% de su rendimiento inicial después de más de 2.200 horas de funcionamiento continuo bajo una iluminación equivalente a la de un sol.

Una de las alternativas más prometedoras

Las células solares de perovskita se consideran una de las alternativas más prometedoras para la próxima generación de tecnología fotovoltaica. Sin embargo, su rendimiento disminuye progresivamente tras una exposición prolongada a la luz solar, un fenómeno conocido como fotodegradación. Esta pérdida de prestaciones constituye una importante barrera para su llegada al mercado, ya que los paneles fotovoltaicos deben mantener un funcionamiento fiable durante muchos años y en condiciones reales de exposición a la intemperie.

Hasta ahora, buena parte de los esfuerzos científicos se habían centrado en reducir los defectos del material para mejorar su estabilidad. Sin embargo, la investigación de PolyU y la Universidad de Zhejiang ha puesto el foco en las interacciones que se producen entre los pequeños cristales que componen la capa encargada de generar electricidad, identificando un mecanismo adicional que contribuye a acelerar su envejecimiento.

Esta capa está formada por numerosos cristales diminutos, denominados granos, cuyas superficies presentan distintas orientaciones. En las células de perovskita con facetas mixtas, cristales con diferentes orientaciones conviven unos junto a otros y entran en contacto a través de unas zonas conocidas como límites de grano.

Cuando la luz incide sobre la célula, el material genera electrones y huecos, dos tipos de cargas eléctricas, negativas y positivas respectivamente, que permiten producir electricidad. Sin embargo, para que la energía se transforme eficazmente en corriente, estas cargas deben desplazarse y recogerse adecuadamente. El problema aparece cuando quedan atrapadas en defectos presentes en las zonas de unión entre los cristales, donde pueden encontrarse y neutralizarse. Este proceso reduce la cantidad de electricidad que puede producir la célula y favorece su deterioro progresivo.

Los investigadores han descubierto que, cuando dos orientaciones cristalinas habituales, denominadas (100) y (111), entran en contacto, las pérdidas de carga no se distribuyen de manera uniforme a ambos lados de la unión. La zona correspondiente a la orientación (111) presenta una mayor concentración de defectos, principalmente espacios vacíos que quedan en la estructura del material cuando faltan determinados iones de formamidinio (FA).

Esta acumulación de defectos provoca una concentración anómala de cargas positivas, conocidas como huecos, en esa región y acelera su degradación. El hallazgo resulta especialmente significativo porque los cristales con orientación (111) son, por naturaleza, más resistentes al envejecimiento provocado por la luz. Sin embargo, el desequilibrio de cargas hace que terminen deteriorándose más rápidamente de lo esperado.

De este modo, el estudio demuestra que la estabilidad de las células solares de perovskita no depende exclusivamente de las propiedades individuales de cada cristal, sino también de cómo interactúan entre sí. Una conclusión que abre una nueva vía para comprender y combatir la pérdida de rendimiento de esta tecnología.

Un tratamiento para reparar los defectos entre cristales

Para corregir este problema, el equipo desarrolló una estrategia basada en la incorporación de un compuesto denominado 3-fluorofeniletilamonio bromuro (m-F-PEABr). Sus moléculas tienen un tamaño que les impide penetrar en el interior de los cristales, por lo que se concentran de forma natural en las zonas donde estos se unen.

Una vez allí, la parte cargada positivamente de las moléculas ocupa los espacios que habían quedado vacíos por la ausencia de iones de formamidinio en las uniones correspondientes a la orientación (111). Al mismo tiempo, el componente que contiene flúor ayuda a mantener el compuesto firmemente anclado en el material.

Con esta intervención, los investigadores consiguen reparar los defectos y equilibrar las pérdidas de carga entre las dos orientaciones cristalinas. Así evitan que una zona concreta acumule un mayor deterioro y consiguen mejorar tanto el rendimiento como la estabilidad de las células.

Los resultados experimentales muestran que los dispositivos tratados alcanzaron una eficiencia de conversión de energía del 26,55%. Además, conservaron más del 90% de su eficiencia inicial después de más de 2.200 horas de funcionamiento continuo bajo una iluminación equivalente a la de un sol.

Este último indicador se conoce como vida útil operativa T90 y mide el tiempo durante el cual una célula mantiene al menos el 90% de su rendimiento inicial. Se trata de uno de los parámetros utilizados para evaluar la durabilidad de estos dispositivos y su capacidad para mantener sus prestaciones durante periodos prolongados.

Yang Guang ha señalado que, aunque las células solares de perovskita ya han alcanzado niveles elevados de eficiencia, su estabilidad continúa siendo el principal obstáculo para su comercialización. Según el investigador, los trabajos anteriores se habían centrado principalmente en reducir el número de defectos, mientras que este estudio demuestra que las pérdidas de carga desiguales entre cristales vecinos constituyen otra de las causas fundamentales de su envejecimiento durante el funcionamiento.

El equipo considera que equilibrar estas pérdidas permite mejorar simultáneamente la eficiencia y la estabilidad de las células, lo que abre una nueva vía para desarrollar dispositivos de perovskita más duraderos y comercialmente viables. Un avance que contribuye a resolver uno de los grandes retos pendientes de esta tecnología fotovoltaica, aunque todavía será necesario evaluar su comportamiento y durabilidad en condiciones reales y a mayor escala.