La movilidad de los electrones en las células solares orgánicas de perovskita (OPV) se ve notablemente reducida debido a la introducción de oxígeno, que actúa como un atrapador de electrones. Este fenómeno puede ser perjudicial para la eficiencia a largo plazo de estos dispositivos, lo que subraya la importancia de una encapsulación adecuada que permita solucionar algunos de los problemas de fiabilidad mencionados anteriormente, como la estabilidad y la vida útil de los dispositivos OPV. La encapsulación completa, en la cual un adhesivo está en contacto con las capas orgánicas del dispositivo, es uno de los métodos más utilizados para mejorar la protección de estas células solares.

Los materiales de encapsulación para dispositivos OPV deben cumplir con varios requisitos fundamentales para garantizar su efectividad. Primero, la alta rigidez dieléctrica y la alta resistividad volumétrica son esenciales para aislar y proteger a los dispositivos OPV de fugas de corriente y fallos de componentes. Además, la coincidencia del índice de refracción con otras capas es crucial para evitar problemas de reflexión y absorción que podrían reducir la eficiencia de los dispositivos. La tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR) y la tasa de transmisión de oxígeno (OTR) también son factores críticos, pues una alta permeabilidad a estos elementos puede degradar el rendimiento de los OPV. Por último, la temperatura de transición vítrea (Tg) del material encapsulante debe ser adecuada para proporcionar un soporte mecánico eficaz y un efecto de amortiguamiento para los dispositivos OPV.

Los métodos comunes de encapsulación incluyen la encapsulación en capas finas y la laminación al vacío. Los materiales de polímeros orgánicos, como el acetato de etileno-vinilo (EVA), el polivinil butiral (PVB) y el poliuretano termoplástico (TPU), se utilizan comúnmente para las capas de laminado en la encapsulación. Con estos métodos, los dispositivos OPV encapsulados pueden tener una vida útil de varios años, lo que mejora su viabilidad comercial a largo plazo.

Por otro lado, las células solares de silicio han sido objeto de extensos estudios debido a su alta eficiencia y fiabilidad. Este tipo de células solares lidera la industria y representa más de la mitad del mercado. Las células solares de silicio se componen principalmente de tres componentes: el sustrato de silicio, la capa de dopaje y el electrodo metálico. A diferencia de los dispositivos OPV y LED, las células solares de silicio presentan una mayor estabilidad debido a la excelente estabilidad intrínseca de sus átomos unidos covalentemente. Los métodos comunes de encapsulación de estas células incluyen la laminación con materiales poliméricos termoplásticos que se adhieren firmemente a las células solares y al vidrio, proporcionando un aislamiento completo y una buena protección contra el ambiente externo. Este proceso de encapsulación ha sido bien establecido y los módulos de células solares basadas en silicio pueden tener una vida útil superior a los 20 años.

Los materiales de encapsulación para las células solares de silicio deben cumplir con varios requisitos, como una buena transmisión de luz, resistencia al oxígeno y la humedad, y una adecuada resistencia mecánica y térmica. Sin embargo, uno de los problemas más importantes que afecta la durabilidad de los dispositivos encapsulados con EVA es la resistencia a las condiciones climáticas. La exposición prolongada al sol puede causar envejecimiento, decoloración y reducción de la transmisión de luz en los dispositivos encapsulados. Además, los subproductos como el ácido acético y el formaldehído, generados durante la degradación térmica del EVA, pueden afectar negativamente la estabilidad de los dispositivos. Para contrarrestar estos efectos, en los últimos años se ha mejorado la resistencia al envejecimiento de las películas de EVA mediante la optimización de los agentes de reticulación, antioxidantes y estabilizadores UV.

La encapsulación de las células solares de perovskita se enfrenta a retos adicionales debido a la inestabilidad inherente de este material. Algunos métodos de encapsulación convencionales, como los que se utilizan para las células solares de silicio, pueden afectar negativamente el rendimiento óptico y eléctrico de las células de perovskita. Por ejemplo, el EVA, utilizado en células solares de silicio, requiere ser laminado a temperaturas superiores a 135°C, lo que podría dañar la capa de perovskita. Además, los productos de descomposición del EVA podrían dañar las células solares de perovskita y causar su degradación. Por lo tanto, las tecnologías de encapsulación utilizadas en dispositivos comerciales de optoelectrónica no pueden aplicarse directamente a las células solares de perovskita y requieren optimización y desarrollo adicional.

En cuanto a la estructura de la encapsulación, esta se puede dividir principalmente en dos categorías: la encapsulación de cobertura completa, en la que el encapsulante proporciona una cobertura integral sobre la región activa de la célula, y el sellado en los bordes, donde el sellante se coloca alrededor del sustrato. Las diferencias entre estos dos sistemas de encapsulación radican principalmente en su estructura, no tanto en los materiales o procesos de encapsulación. Materiales como el poliisobutileno (PIB) y la resina epoxi pueden ser adecuados para ambos sistemas. La encapsulación de cobertura completa puede ser de dos tipos, según el proceso: la encapsulación sin placa de cubierta y la encapsulación basada en una placa de cubierta. La encapsulación sin placa de cubierta se utiliza comúnmente en procesos de recubrimiento de capas finas, como la deposición de capas barrieras inorgánicas mediante deposición de capa atómica (ALD) o deposición de vapor químico mejorado por plasma (PECVD), mientras que la encapsulación basada en placa de cubierta se utiliza en procesos de laminado con polímeros termoplásticos.

Es esencial que el material encapsulante no entre en contacto directo con la capa activa de los dispositivos OPV, en particular con la capa de perovskita y la capa de transporte de carga orgánica, ya que algunos materiales, como los adhesivos curables por UV, pueden emitir gases que dañan las capas activas de la célula solar. Además, el encapsulante debe tener un módulo elástico adecuado para aliviar la tensión causada por la expansión térmica desigual de las células solares durante los ciclos de temperatura.

¿Cómo la encapsulación mejora la estabilidad de las celdas solares de perovskita?

La estabilidad a largo plazo de las celdas solares de perovskita ha sido uno de los mayores desafíos en el desarrollo de esta tecnología emergente. La encapsulación es un proceso fundamental para asegurar que las celdas solares mantengan su eficiencia durante periodos prolongados en condiciones ambientales cambiantes, como la alta humedad o las altas temperaturas. Sin esta protección adecuada, la degradación de los materiales activos de la célula puede ocurrir rápidamente, reduciendo considerablemente su vida útil.

Diversos estudios han mostrado que la encapsulación con materiales como PDMS (polidimetilsiloxano), resinas epoxi o materiales híbridos mejora notablemente la estabilidad de las celdas solares de perovskita. El uso de estos encapsulantes permite sellar las celdas de perovskita, protegiéndolas de la humedad y los efectos térmicos extremos, que son conocidos factores que aceleran la degradación de los dispositivos.

En particular, se ha demostrado que las celdas solares de perovskita encapsuladas con PDMS tienen una resistencia superior a la humedad, lo que las hace más aptas para operar en ambientes húmedos sin perder eficiencia rápidamente. Este tipo de encapsulación también ayuda a mitigar los efectos térmicos, ya que actúa como una barrera térmica que protege a las celdas de temperaturas extremas, las cuales pueden inducir la degradación del material activo (CH3NH3PbI3, por ejemplo).

Un aspecto crucial es el control del comportamiento de los materiales durante las pruebas de envejecimiento acelerado. El encapsulado adecuado puede extender la vida útil de una celda solar de perovskita hasta 1000 horas o más, como se evidenció en experimentos realizados en condiciones de temperatura elevada y alta humedad. Estos experimentos confirman que los encapsulantes no solo protegen de la humedad, sino que también sirven como barreras para evitar la migración de iones, lo que es vital para mantener la eficiencia de conversión de energía.

Sin embargo, no todas las soluciones de encapsulación son igualmente eficaces. Se deben considerar factores como la permeabilidad al vapor de agua, la estabilidad a largo plazo frente a ciclos térmicos y la interacción con los materiales de la célula misma. Un diseño adecuado de encapsulante debe ser capaz de proporcionar una protección continua y consistente durante el funcionamiento de la celda solar, especialmente para aplicaciones comerciales donde la fiabilidad es clave.

Los avances más recientes también incluyen el uso de materiales como el Al2O3, que actúan como barreras de difusión de iones y contribuyen a la mejora de la estabilidad térmica y la resistencia al envejecimiento de las celdas solares de perovskita. Algunos estudios han demostrado que la introducción de capas de Al2O3 por deposición atómica mejora considerablemente la durabilidad de las celdas solares al protegerlas de la humedad y la exposición a los cambios térmicos, mientras que también mejora la eficiencia operativa de estas celdas en entornos más agresivos.

Además, la utilización de sistemas de encapsulación que incluyen materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés), que proporcionan un efecto de enfriamiento natural, está ganando popularidad. Estos sistemas no solo aumentan la vida útil de las celdas solares al regular su temperatura interna, sino que también podrían ofrecer una solución más ecológica, al utilizar materiales con mayor capacidad de adaptación a las fluctuaciones térmicas.

Es importante destacar que, aunque la encapsulación es un paso crucial en el proceso de fabricación de celdas solares de perovskita, también se debe considerar el impacto ambiental de los materiales utilizados. Los estudios más recientes están enfocándose en el desarrollo de encapsulantes que no solo mejoren la estabilidad de los dispositivos, sino que también sean sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Este aspecto se ha vuelto cada vez más relevante a medida que la industria de la energía solar busca soluciones ecológicas y económicamente viables para la producción masiva de energía limpia.

Para optimizar la eficiencia de la encapsulación, es vital investigar cómo las diferentes configuraciones y combinaciones de materiales pueden interactuar entre sí y cómo pueden ser adaptadas según las condiciones de uso específicas de las celdas solares. Esta es una de las áreas más prometedoras de investigación en la mejora de las celdas solares de perovskita, ya que pequeños avances en la tecnología de encapsulación pueden tener un gran impacto en la durabilidad y el coste de producción de estos dispositivos.

El progreso en la encapsulación de celdas solares de perovskita sigue avanzando rápidamente, pero no debe pasarse por alto la importancia de realizar pruebas exhaustivas de envejecimiento bajo condiciones extremas. Solo mediante estas pruebas, y el perfeccionamiento constante de los materiales encapsulantes, se podrá lograr un rendimiento estable y prolongado de las celdas solares de perovskita en aplicaciones reales, asegurando que esta tecnología esté lista para un futuro energético más limpio y eficiente.

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

Las celdas solares de perovskita (PSCs) han demostrado un gran potencial para la conversión eficiente de la energía solar, sin embargo, uno de los mayores desafíos que enfrentan estas tecnologías es mejorar su estabilidad a largo plazo. La estabilidad es crucial para que las PSCs sean una opción viable a gran escala, ya que sin ella las celdas solares perderían su eficiencia rápidamente, lo que afectaría su rendimiento y vida útil.

Un aspecto fundamental para mejorar la estabilidad de las PSCs es el tratamiento de los defectos en la capa activa de perovskita. Las películas de perovskita formadas por métodos de procesamiento en solución, como la impresión, el recubrimiento por pulverización o el spin-coating, pueden contener defectos microscópicos y macroscópicos. Estos defectos son principalmente causados por vacantes, intersticiales y antisites en la estructura de la perovskita, los cuales producen estados trampa que afectan la recombinación no radiativa de los portadores de carga, lo que contribuye a la pérdida de eficiencia. A su vez, estos defectos pueden migrar a través de defectos macroscópicos como las fronteras de grano (GBs), grietas tridimensionales y agujeros, lo que permite la acumulación de iones y reduce la estabilidad de las celdas solares.

Las estrategias para abordar estos problemas se centran en la "pasivación" de la superficie de la perovskita y en la optimización de la alineación de bandas en las capas apiladas de las celdas solares, especialmente en la interfaz entre la perovskita y las capas de transporte de carga (ETL y HTL). La pasivación de los defectos a nivel microscópico se ha convertido en una técnica crucial para mejorar la eficiencia y la estabilidad. Se ha demostrado que los tratamientos con sales de amonio pueden pasivar los defectos en la superficie y simultáneamente formar una capa de perovskita de baja dimensión en la parte superior, lo que contribuye a la construcción de una estructura de banda favorable.

Otra estrategia para mejorar la estabilidad de las PSCs es la manipulación de las estructuras de heterounión dentro de las celdas solares. La estructura de heterounión se forma en las interfaces entre los semiconductores, y en el caso de las PSCs, las interfaces entre la perovskita y las capas de transporte de carga son claves para su rendimiento. Existen tres tipos de alineación de bandas en las heterouniones: tipo I (estrangulado), tipo II (desplazado) y tipo III (hendidura rota). La alineación de tipo I, ampliamente utilizada en las PSCs, garantiza que los portadores de carga se mantengan dentro de los granos de perovskita sin sufrir recombinación no deseada en las interfaces. La alineación de tipo II, que involucra un solapamiento de las bandas de los semiconductores, también se ha aplicado para construir una estructura de banda más favorable, lo que facilita la separación de cargas y mejora la eficiencia de la celda solar.

La optimización de las propiedades y combinaciones de las heterouniones puede afectar directamente la dinámica de carga dentro de la celda solar. Un diseño adecuado de estas interfaces puede disminuir las pérdidas por recombinación y mejorar la transferencia de electrones y huecos, lo que lleva a una mayor eficiencia y estabilidad de la celda solar. Los avances en la manipulación de la estructura de bandas y la introducción de nuevas fases de perovskita, como las perovskitas de baja dimensión, son algunas de las estrategias más prometedoras en el desarrollo de celdas solares de perovskita más estables y eficientes.

Además de estas estrategias, es importante considerar las condiciones operativas del dispositivo, como la exposición a la luz, el calor y el voltaje, los cuales pueden acelerar la degradación de las celdas solares. La encapsulación adecuada de las celdas y el diseño de materiales robustos para las capas de transporte de carga y la capa activa de perovskita son aspectos esenciales para mejorar la durabilidad y estabilidad a largo plazo de las PSCs. También es relevante considerar el tratamiento de los sustratos antes de la deposición de la perovskita, ya que la preparación de la superficie del sustrato puede minimizar la formación de defectos y mejorar la calidad de la interfaz entre las capas.

Es crucial que los avances en la estabilidad de las PSCs se enfoquen no solo en los materiales de la capa activa de perovskita, sino también en la mejora de las interfaces y en la ingeniería de las heterouniones. El desafío no solo radica en mejorar la eficiencia inicial de las celdas solares, sino también en asegurar que esa eficiencia se mantenga durante períodos prolongados bajo condiciones de operación reales. La investigación continúa avanzando, y cada nuevo descubrimiento acerca de la pasivación de defectos y la optimización de interfaces abre nuevas oportunidades para que las PSCs se conviertan en una solución viable para la generación de energía solar a gran escala.

¿Cómo afecta la migración de metales en las celdas solares de perovskita a su estabilidad y eficiencia?

Las celdas solares de perovskita han mostrado un gran potencial para la generación de energía solar debido a su alta eficiencia y bajo costo de fabricación. Sin embargo, uno de los desafíos más importantes en su desarrollo es la estabilidad a largo plazo de estos dispositivos. La migración de metales, como el plomo o el estaño, es un fenómeno clave que puede inducir una degradación significativa en las propiedades de las celdas solares de perovskita. Este fenómeno se ha observado en diversas investigaciones, donde se señala que la migración de metales en las celdas solares de perovskita puede alterar la estructura del material activo y afectar su rendimiento a lo largo del tiempo.

El proceso de migración de metales en las celdas solares de perovskita es complejo, pero se puede resumir en el movimiento de iones metálicos desde las capas de contacto hacia el material de perovskita bajo la influencia de un campo eléctrico, lo que provoca la formación de defectos en la estructura cristalina. Este fenómeno puede reducir la eficiencia de la conversión fotovoltaica al aumentar la recombinación de cargas y reducir la vida útil de los portadores de carga generados por la luz.

Una de las soluciones para mitigar este problema es el uso de capas de bloqueo de difusión basadas en fulerenos. Estas capas pueden actuar como barreras para la migración de iones metálicos, mejorando así la estabilidad y el rendimiento de las celdas solares. Estudios recientes han demostrado que al incorporar una capa de bloqueo de difusión en celdas solares de perovskita, se puede mejorar la estabilidad a largo plazo, previniendo la migración de metales a través de las interfaces del dispositivo.

Además de la migración de metales, otros factores como la humedad y las condiciones ambientales también influyen en la estabilidad de las celdas solares de perovskita. Por ejemplo, la exposición a la humedad puede causar la hidrólisis del material de perovskita, lo que lleva a la descomposición del dispositivo. Investigaciones han mostrado que la formulación de nuevas capas protectoras, como aquellas basadas en materiales hidrófobos o cerámicas, puede ofrecer una protección adicional contra la degradación inducida por la humedad.

El diseño de interfaces estables y el control de los defectos de superficie también son áreas clave de investigación en la mejora de la estabilidad de las celdas solares de perovskita. A medida que avanzamos hacia la comercialización de estas celdas solares, la ingeniería de interfaces se vuelve esencial para garantizar no solo la eficiencia, sino también la durabilidad del dispositivo en condiciones reales de operación.

Otro aspecto fundamental es el diseño de celdas solares de perovskita híbridas, que combinan materiales de perovskita con otros semiconductores, como el silicio, para formar células solares tándem. Estas configuraciones pueden mejorar la eficiencia al aprovechar diferentes rangos espectrales de la luz solar. Sin embargo, la interfaz entre los dos materiales debe ser cuidadosamente optimizada para evitar problemas de degradación relacionados con la migración de iones y otros defectos en las capas activas.

Además, es crucial tener en cuenta la influencia del estrés y la tensión en las películas de perovskita. La ingeniería de tensiones a nivel de las interfaces puede permitir la mejora de la estabilidad mecánica de las celdas solares, lo que es particularmente importante para la fabricación de módulos solares a gran escala. Las celdas solares de perovskita, al ser flexibles y ligeras, ofrecen ventajas significativas en comparación con los materiales tradicionales, pero su estabilidad estructural sigue siendo un desafío.

El control de la deposición de la perovskita también ha sido identificado como un factor crítico en la estabilidad de las celdas solares. Métodos de deposición como la impresión por inyección de tinta o el recubrimiento por cuchilla permiten una fabricación más sencilla y económica, pero requieren un control preciso de las condiciones del proceso para evitar defectos que puedan comprometer la eficiencia y durabilidad del dispositivo. La optimización de las soluciones precursoras, la velocidad de secado y la temperatura de procesamiento son factores que deben ser considerados para mejorar la reproducibilidad y la estabilidad de las celdas solares de perovskita.

Por último, los estudios sobre la degradación inducida por la luz son esenciales para comprender mejor los mecanismos subyacentes que afectan a la estabilidad de las celdas solares de perovskita. La exposición a la radiación solar puede inducir la formación de defectos en el material, lo que afecta la conducción de iones y la recombinación de cargas. La investigación en el campo de la ingeniería de materiales busca mitigar estos efectos mediante el uso de aditivos y tratamientos térmicos que mejoren la respuesta del material a la luz.

Es fundamental que los investigadores continúen desarrollando métodos para prevenir la degradación por migración de metales, humedad y otros factores externos. Además, es importante que el diseño de las celdas solares de perovskita no solo se enfoque en la eficiencia de conversión, sino también en su estabilidad a largo plazo, lo que será crucial para su adopción en aplicaciones comerciales. La mejora en la estabilidad mecánica y ambiental de las celdas solares de perovskita permitirá una mayor penetración de este tipo de tecnologías en el mercado global de la energía renovable, ofreciendo una opción más sostenible y rentable para la generación de energía solar.

¿Cómo se puede minimizar eficazmente la fuga de plomo en células solares de perovskita sin comprometer el rendimiento y reduciendo costes?

El avance hacia la comercialización de células solares de perovskita (PSC) ha generado una necesidad crítica: gestionar la toxicidad del plomo (Pb) presente en estos dispositivos. La fuga de Pb en condiciones reales —lluvia ácida, inmersión, ciclos térmicos— no solo compromete la seguridad ambiental, sino que también pone en riesgo la aceptación pública de esta tecnología. Frente a ello, se han desarrollado distintas estrategias de encapsulación y adsorción interna y externa para mitigar estas fugas, con resultados significativos tanto en laboratorio como en condiciones simuladas de campo.

Li y Zhang, junto a sus colaboradores, aplicaron materiales de adsorción de plomo en ambas caras de la célula. Utilizaron una película molecular basada en ácido fosfónico (DMDP) en el lado frontal —transparente— y una película polimérica con agente quelante de plomo (EDTMP-PEO) en la parte trasera, entre el electrodo metálico y la capa de encapsulación de EVA. Estas capas mostraron una eficiencia de adsorción de Pb²⁺ incluso bajo condiciones de estrés ambiental (50 °C, agua ácida con pH 4.2 y flujos simulados de agua de lluvia), manteniendo una eficiencia cuántica externa (EQE) por encima del 96.1%. Este diseño no afectó el rendimiento fotovoltaico de las PSC y demostró estabilidad a largo plazo bajo iluminación continua durante más de 500 horas.

Zhu et al. propusieron una alternativa flexible mediante la combinación de aerogeles de grafeno sulfonado (S-GA) con polidimetilsiloxano (PDMS), que actuó como sellante adsorbente de Pb. La estructura mostró una capacidad sobresaliente de adsorción, conservando el 84% de la eficiencia inicial tras 3000 ciclos de flexión y reduciendo la fuga de plomo a 10 ppb. En paralelo, desarrollaron un método económico utilizando resina de intercambio catiónico (CER) y resina ultravioleta (UVR) aplicada en el lado metálico del dispositivo. La CER, con grupos sulfonato en forma Na⁺, es ampliamente utilizada en la industria para la adsorción de metales pesados, y su bajo coste (≈ $0.03/m²) presenta una clara ventaja comercial. Estas capas redujeron la fuga de Pb en al menos un 90%, incluso en condiciones extremas, manteniendo concentraciones por debajo del umbral de residuos peligrosos establecido por la RCRA.

Otra innovación clave fue la introducción de geles iónicos con grupos carboxilo y fosfato para encapsulación. La aplicación de una capa de 500 μm sobre vidrio no afectó la transmisividad óptica, y los ensayos acelerados de humedad y temperatura conforme a IEC 61215 confirmaron su estabilidad. La comparación con estructuras tradicionales de encapsulación con POE evidenció una reducción drástica en la concentración acumulada de plomo tras inmersión: de 8.38 ppm a apenas 0.63 ppb. En paralelo, Cahen et al. exploraron nanopartículas funcionalizadas con grupos tiol (MPTMS-ns) incorporadas en sellantes de silicona, capturando hasta un 90% del Pb²⁺ liberado en dispositivos dañados, sin alterar el rendimiento fotovoltaico. Además, este método costaba la mitad del precio del encapsulante EVA estándar, y su escalabilidad podría mejorar aún más los costes.

Una solución innovadora que destaca por su simplicidad operativa es la cinta laminada de EVA-DMDP, desarrollada por Li y Zhang. La capa de DMDP se aplica mediante evaporación de una solución etanólica sobre EVA, formando una cinta que se adhiere firmemente al vidrio sin interferir en la eficiencia fotovoltaica. Bajo simulación de lluvia durante una hora, los niveles de Pb²⁺ se redujeron de más de 19 ppm a apenas 2 ppb. La eficacia se mantuvo incluso tras diez horas de exposición, y pruebas de inmersión después de tres meses en exteriores mostraron una eficiencia constante de adsorción del 99.9%.

Wei et al. desarrollaron un adhesivo acrílico termofusible (AHMA) compuesto por ácido acrílico,

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