Las células solares de perovskita, que emergieron como una de las tecnologías más prometedoras en el campo de la energía fotovoltaica, están marcando un avance significativo en la lucha global contra el cambio climático. Sin embargo, su uso generalizado ha traído consigo una preocupación crucial que pone en duda su aceptación a gran escala: la toxicidad del plomo (Pb) presente en estos dispositivos. Aunque las células solares perovskitas (CSP) presentan ventajas claras en términos de eficiencia teórica y costo de producción, su potencial impacto ambiental y para la salud humana sigue siendo un desafío que necesita ser abordado con urgencia.

El plomo es un elemento tóxico que, aunque esencial para la eficiencia de las CSP, representa una grave amenaza debido a su solubilidad en agua y su capacidad para acumularse en el medio ambiente. En términos generales, la cantidad de plomo que contiene una capa de perovskita, como la MAPbI3, es considerablemente mayor que la de otros dispositivos electrónicos comunes, como las baterías de plomo-ácido y los soldadores electrónicos utilizados en las células solares de silicio. Esta alta concentración de plomo plantea un riesgo claro de contaminación, ya que puede filtrarse en el agua y el suelo, afectando la cadena alimentaria y, por ende, la salud humana y de los ecosistemas.

El riesgo de fuga de plomo aumenta aún más cuando se considera el daño físico de los dispositivos, provocado por condiciones extremas como incendios, granizo o lluvia ácida. Incluso cuando las células están encapsuladas de manera tradicional para reducir la exposición, este encapsulado puede fallar ante estos eventos, liberando el plomo al entorno y contaminando fuentes de agua y suelos. Además, las células solares de perovskita, al tener una vida útil más corta que otros tipos de células solares, contribuyen a una mayor generación de residuos tóxicos, exacerbando los problemas medioambientales a largo plazo.

La toxicidad del plomo tiene efectos devastadores sobre la salud humana. Es conocido que el plomo interfiere con múltiples funciones del cuerpo humano, afectando especialmente el sistema nervioso central, el hígado, los riñones y el sistema hematopoyético. El envenenamiento por plomo puede provocar desde trastornos neurológicos, como disminución en el coeficiente intelectual, hasta problemas graves en los órganos internos, como insuficiencia renal. Su acumulación y dispersión a través de la cadena alimentaria aumentan la exposición humana a este peligroso metal pesado. La falta de biodegradabilidad del plomo implica que su impacto es de largo plazo, permaneciendo en el medio ambiente durante muchos años, lo que hace que el problema sea aún más complejo.

Es importante destacar que la contaminación por plomo no solo se limita al riesgo para los seres humanos, sino que también afecta gravemente a los ecosistemas. El plomo es absorbido fácilmente por las plantas y otros organismos acuáticos, entrando en la cadena alimentaria y provocando un daño masivo a la biodiversidad. Esto, a su vez, pone en peligro la seguridad alimentaria global, ya que los metales pesados pueden acumularse en los organismos y, a través de ellos, llegar a los humanos.

Para mitigar estos riesgos, la comunidad científica está explorando alternativas a las células solares de perovskita basadas en plomo. Algunas investigaciones están orientadas a la creación de perovskitas libres de plomo, utilizando iones menos tóxicos como el germanio (Ge), estaño (Sn), bismuto (Bi) y antimonio (Sb). Sin embargo, estas alternativas enfrentan desafíos significativos, como menores eficiencias de conversión de energía y una estabilidad reducida en comparación con las células solares de perovskita convencionales. A pesar de estos inconvenientes, el desarrollo de estas tecnologías es clave para la sostenibilidad a largo plazo de la energía solar.

Además de los esfuerzos en el reemplazo de materiales tóxicos, también se están investigando métodos de encapsulación más efectivos que puedan evitar la fuga de plomo en caso de daños. Sin embargo, aún se necesita más innovación para garantizar que estas soluciones sean lo suficientemente robustas como para resistir condiciones extremas, asegurando que el plomo no se libere al medio ambiente durante accidentes o desastres naturales.

Por tanto, la aceptación generalizada de las células solares de perovskita dependerá en gran medida de nuestra capacidad para reducir el riesgo de fuga de plomo y encontrar soluciones más seguras que no comprometan la eficiencia y la rentabilidad de la tecnología. Es esencial continuar con los esfuerzos en investigación para desarrollar materiales alternativos, mejorar los procesos de encapsulación y establecer regulaciones más estrictas que protejan tanto la salud humana como el medio ambiente. Además, es fundamental que los avances tecnológicos vayan acompañados de una planificación adecuada para el reciclaje y la gestión de residuos de células solares, lo que contribuiría significativamente a la minimización de su impacto ecológico.

¿Cómo asegurar la estabilidad de las celdas solares de perovskita?

La encapsulación de las celdas solares de perovskita (PSC, por sus siglas en inglés) es un área crucial para mejorar la estabilidad y longevidad de estos dispositivos. La exposición a factores como la humedad, el oxígeno, el calor, la luz y el sesgo eléctrico puede causar una degradación significativa en su rendimiento. Para abordar esta cuestión, se han establecido protocolos de estabilidad estándar, como los protocolos ISOS (International Solar Cells Standard), que evalúan diversos aspectos del comportamiento de las PSC bajo condiciones controladas.

Los protocolos ISOS existentes cubren varias pruebas de estabilidad que simulan diferentes condiciones a las que las celdas solares de perovskita pueden estar expuestas a lo largo de su vida útil. Estas pruebas incluyen el almacenamiento en oscuridad (ISOS-D), pruebas de inmersión en luz (ISOS-L), estudios de estabilidad al aire libre (ISOS-O), ciclos térmicos oscuros (ISOS-T), y ciclos combinados de luz, humedad y temperatura (ISOS-LT). Además, se han propuesto protocolos específicos como el ciclo luz-oscuridad (ISOS-LC) y el sesgo eléctrico en oscuridad (ISOS-V), los cuales tienen tres niveles de complejidad: básico, intermedio y avanzado.

En términos generales, las celdas solares de perovskita se degradan cuando se exponen a una serie de factores adversos. Los protocolos de estabilidad se diseñan con este entendimiento y permiten evaluar el impacto de estos factores de manera aislada, para mitigar los efectos negativos que pueden surgir de su combinación. Por ejemplo, ISOS-D ofrece información sobre el comportamiento de las celdas en ambientes oscuros, donde las condiciones de temperatura y humedad aumentan a medida que se incrementa el nivel de la prueba. ISOS-L, por su parte, estudia el impacto de la luz en la estabilidad de las celdas, y las condiciones de temperatura y humedad también se modifican en los niveles más altos de la prueba.

El protocolo ISOS-O, por su parte, ofrece un enfoque más cercano a las condiciones del mundo real, con pruebas bajo diversas fuentes de luz y condiciones ambientales, simulando lo que ocurriría en una instalación solar exterior. ISOS-T se centra en los ciclos térmicos en la oscuridad, mientras que ISOS-LT realiza un ciclo similar pero bajo un simulador solar. El protocolo ISOS-LC simula los ciclos de día y noche, analizando la degradación reversible en la oscuridad, con condiciones severas de temperatura y humedad en los niveles más altos.

Un aspecto importante a tener en cuenta es el protocolo ISOS-V, que simula condiciones en las que las celdas están parcialmente sombreadas y operan bajo un sesgo inverso. Este protocolo también tiene tres niveles de complejidad, que dependen del control de la temperatura, la atmósfera y el equipo necesario para las pruebas.

Además de las pruebas de estabilidad, el concepto de pruebas de estabilidad intrínseca (ISOS-I) es relevante. Estas pruebas distinguen entre factores internos, como la luz, la temperatura y el sesgo eléctrico, y factores externos, como la humedad y el oxígeno, que la tecnología de encapsulación busca mitigar. La estabilidad intrínseca hace referencia a la capacidad de las celdas solares de perovskita para resistir la degradación a lo largo del tiempo sin intervención externa, lo que es fundamental para su rendimiento a largo plazo.

Otro aspecto crítico es la evaluación de la vida útil de las celdas solares, medido mediante el umbral Txx. Este valor denota el tiempo que tarda la eficiencia de la celda en reducirse a un porcentaje determinado de su valor inicial. Esta métrica es esencial para establecer los periodos mínimos de envejecimiento en las pruebas y garantizar que las celdas solares mantengan su funcionalidad durante períodos prolongados.

Aunque los protocolos ISOS ofrecen estándares de prueba esenciales para las celdas solares de perovskita, aún hay vacíos en cuanto a las pruebas necesarias para evaluar los módulos fotovoltaicos completos. Actualmente, la fabricación de celdas solares de perovskita está avanzando hacia la modularización, lo que requiere la adaptación a los estándares comercializados, como el IEC 61646, diseñado para celdas solares de película delgada. Este estándar abarca varios tipos de pruebas y modos de inspección, que incluyen mediciones de diagnóstico, pruebas eléctricas, irradiación, pruebas ambientales y pruebas mecánicas, con el fin de asegurar que los módulos solares puedan operar de manera confiable bajo las condiciones climáticas especificadas por el estándar a lo largo de un período extendido.

El procedimiento de prueba de la norma IEC 61646 incluye diversas condiciones de prueba, como la inspección visual, la determinación de la máxima potencia, pruebas de aislamiento, medición de coeficientes de temperatura, pruebas de rendimiento a irradiancia estándar y baja irradiancia, y exposiciones al aire libre. Estas pruebas permiten evaluar si los módulos pueden resistir condiciones extremas, como temperaturas bajas o altas, irradiación intensa o baja, exposición a la humedad y la congelación, y cargas mecánicas. Las pruebas de resistencia a los puntos calientes, las pruebas de carga mecánica, y las pruebas de impacto de granizo son particularmente importantes para simular condiciones extremas que los módulos podrían experimentar en la vida real.

La robustez de la encapsulación es fundamental para asegurar que las celdas solares de perovskita mantengan un alto rendimiento a lo largo del tiempo. Sin embargo, es crucial tener en cuenta que, aunque las pruebas proporcionen datos valiosos sobre la estabilidad, las condiciones reales de funcionamiento siempre pueden presentar variaciones imprevistas. Por lo tanto, la mejora continua de las tecnologías de encapsulación y la adopción de pruebas más exhaustivas y específicas para módulos completos de perovskita será esencial para garantizar su éxito comercial a largo plazo.

¿Cómo mejorar la estabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita?

El desarrollo de células solares de perovskita (PSCs) ha mostrado un progreso impresionante en términos de eficiencia, alcanzando cifras cercanas al 26.1%. Sin embargo, la estabilidad a largo plazo sigue siendo un desafío crítico para su comercialización. La estabilidad de las PSCs depende de una serie de factores, incluidos el diseño del dispositivo, los materiales utilizados y las condiciones ambientales a las que se someten. Es fundamental establecer protocolos de prueba estandarizados que puedan simular las condiciones más extremas a las que estas células podrían estar expuestas durante su vida útil.

En este contexto, los protocolos ISOS (International Summit on Organic Photovoltaic Stability) han sido una herramienta clave para evaluar la estabilidad de las PSCs, proporcionando una metodología que no reemplaza los estándares de calificación existentes, pero que sí contribuye a una evaluación más precisa y reproducible de la durabilidad de estas tecnologías. Dichos protocolos se dividen en tres niveles de sofisticación, dependiendo de los equipos requeridos y la severidad del estrés aplicado. A pesar de que los protocolos ISOS han sido valiosos para pruebas en laboratorio, su implementación en dispositivos de mayor escala, como mini-módulos o módulos completos, ha sido limitada debido a la falta de pruebas en condiciones reales.

Un aspecto crítico en las pruebas de estabilidad de las PSCs es el uso de "estresores mixtos", es decir, la combinación de factores como temperatura, humedad relativa y exposición a la luz para simular las condiciones ambientales más diversas. Esto no solo mejora la predicción de la vida útil de las células, sino que también permite identificar posibles modos de fallo que no serían evidentes en un entorno controlado de laboratorio. Por ejemplo, a temperaturas superiores a 40°C, la humedad relativa debe controlarse estrictamente, pero a temperaturas más bajas no se requiere un control preciso de la humedad, lo que refleja la naturaleza variada de las condiciones reales a las que se enfrentan los dispositivos en aplicaciones al aire libre.

En cuanto a la encapsulación de las células solares de perovskita, se ha demostrado que las estrategias de encapsulación avanzadas son cruciales para mejorar la estabilidad en condiciones de temperatura elevada y exposición prolongada a la luz. Estas estrategias pueden incorporar tecnologías de otras áreas, como las células solares de CdTe y CIGS, para mejorar la longevidad de las PSCs. El diseño modular adecuado y la ingeniería de interfaces son componentes fundamentales en la mejora de la estabilidad, ya que el diseño de la célula y sus materiales deben ser optimizados para resistir la degradación tanto en entornos interiores como exteriores.

Un avance significativo en la mejora de la estabilidad de las PSCs está relacionado con la investigación sobre los mecanismos de envejecimiento y degradación. A medida que se recopilan más datos, se hace posible identificar patrones y mecanismos comunes que puedan ser corregidos para mejorar el rendimiento de las células a largo plazo. Sin embargo, aún no existe un consenso global sobre las pruebas más apropiadas para determinar con precisión la longevidad de las PSCs en diferentes condiciones climáticas.

Además, la transición hacia configuraciones de células solares en tándem, como las combinaciones perovskita-silicio, promete un futuro prometedor en términos de eficiencia. Estas configuraciones han logrado eficiencias superiores al 31%, y algunos investigadores consideran que es posible alcanzar eficiencias superiores al 35% en un futuro cercano. Esta mejora en la eficiencia no solo reducirá los costos de producción de energía, sino que también posicionará

¿Cómo la migración iónica y la histéresis afectan el comportamiento de las celdas solares de perovskita?

La migración de iones en las celdas solares de perovskita es un fenómeno que ha captado una atención considerable debido a sus efectos en la eficiencia y estabilidad de estos dispositivos. En particular, la migración iónica es una de las principales causas del comportamiento de histéresis en la curva corriente-tensión (J-V), un desafío clave que limita el rendimiento y la comercialización de las celdas solares de perovskita. Este fenómeno, bien documentado desde sus primeras especulaciones por Hoke y Snaith en 2013, se ha demostrado experimentalmente como un factor determinante para la histéresis de corriente fotovoltaica.

La migración iónica implica el movimiento de iones cargados dentro del material de perovskita, que es impulsado por un campo eléctrico. Esto puede generar una respuesta no lineal en las celdas solares cuando se mide la corriente en función de la tensión, un fenómeno que se conoce como histéresis. El descubrimiento de Xiao et al. en 2014 sobre el "efecto fotovoltaico conmutado" proporcionó una prueba significativa de que la migración iónica contribuye de manera considerable a este comportamiento. Las investigaciones posteriores confirmaron que, para que ocurra la histéresis en la J-V, deben cumplirse dos condiciones: la migración de iones y la recombinación interfacial a través de trampas en la interfaz del dispositivo.

Los estudios más recientes han revelado que la migración de iones en las perovskitas policristalinas ocurre predominantemente a través de los límites de grano (GBs), donde la histéresis es más pronunciada que en el interior de los granos. Esto se debe a que la migración iónica es más rápida en los GBs. Este comportamiento es crucial para comprender cómo la estructura cristalina del material influye en las propiedades de la celda solar. Además, se ha observado que los iones externos, como Li+, Na+ o H+, pueden migrar a través de la capa de perovskita, afectando significativamente el rendimiento y exacerbando la histéresis.

Un factor adicional que influye en la migración de iones es la orientación de los dipolos locales causados por la orientación del ion MA+. Los dipolos locales generan campos de compensación que afectan tanto la posición de las vacantes como la dirección de difusión de los iones. Los iones cargados positivamente tienden a difundir en la dirección del dipolo, mientras que los iones cargados negativamente lo hacen en la dirección opuesta. Esta dinámica se vuelve más compleja debido a las diversas configuraciones de orientación de los iones MA+, lo que genera campos de compensación variables que no solo afectan la difusión de los iones, sino que también producen una histéresis más pronunciada en las curvas J-V a velocidades de barrido lentas.

Además de la migración iónica, otro factor importante es la degradación de los electrodos debido a los compuestos volátiles liberados por las perovskitas, lo que también contribuye a la reducción de la estabilidad y eficiencia de las celdas solares. Este problema es especialmente relevante en condiciones ambientales extremas, como en regiones con alta contaminación o en áreas donde el panel solar está expuesto a nieve y condiciones climáticas severas. Esto demuestra la necesidad de mejorar la encapsulación y pasivación de las interfaces para garantizar celdas solares eficientes y estables.

Desde una perspectiva comercial, la reducción del costo de nivel de energía (LCOE) se presenta como el principal impulso para la expansión de la energía fotovoltaica a nivel mundial. El LCOE, que representa el costo de generación de electricidad por cada kWh producido, se ve afectado por varios factores, entre ellos la eficiencia del dispositivo, su vida útil y el costo inicial de la tecnología. Si el LCOE de las celdas solares de perovskita se puede reducir a 3–6 centavos por kWh, estas celdas serían competitivas con las mejores tecnologías fotovoltaicas basadas en silicio. Sin embargo, este valor debe calcularse teniendo en cuenta las condiciones locales de instalación, como las fluctuaciones de temperatura y humedad, que pueden acelerar la degradación de los módulos y afectar el rendimiento a largo plazo.

El análisis del LCOE implica no solo calcular la energía generada por el sistema fotovoltaico a lo largo de su vida útil, sino también estimar los costos de inversión y operación, como el mantenimiento y las posibles pérdidas de equipos debido a condiciones climáticas adversas. Para lograr una mayor competitividad en el mercado, es crucial tener en cuenta estos factores y ajustar las condiciones de operación y mantenimiento según las variaciones locales de temperatura, humedad y radiación solar.

En resumen, los desafíos asociados con la migración iónica y la histéresis en las celdas solares d

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