¿Cómo optimizar la encapsulación de células solares de perovskita flexibles?

En el ámbito de la encapsulación de células solares de película delgada, uno de los mayores desafíos radica en lograr efectos de sellado óptimos mediante encapsulación de una sola capa. Si bien la capa orgánica simple presenta una barrera insuficiente contra el agua, las capas inorgánicas enfrentan un dilema: deben ser lo suficientemente gruesas para garantizar la impermeabilidad, pero no tanto como para comprometer el rendimiento inicial del dispositivo, ya que un grosor excesivo aumenta los tiempos y temperaturas de deposición necesarios durante el proceso de fabricación. Además, estas capas son más propensas a agrietarse bajo ciclos térmicos, lo que limita aún más su efectividad. Las estructuras multicapa orgánico-inorgánicas han ayudado a resolver algunos de estos problemas, pero incrementan significativamente los costos de proceso y material, lo cual restringe su aplicación comercial, especialmente en células solares de perovskita.

Las estructuras y métodos de encapsulación discutidos previamente son igualmente aplicables a dispositivos flexibles, pero deben tener en cuenta las diferencias en los factores que influyen en la estabilidad y los mecanismos de degradación. Es crucial comprender que, aunque el sustrato flexible puede estar hecho de componentes orgánicos como PET (polietileno tereftalato), PI (poliamida) o PEN (polietileno naftalato), los materiales utilizados para la encapsulación deben adaptarse a las propiedades específicas de estos sustratos. A diferencia del vidrio, que ofrece alta transparencia, estabilidad mecánica y resistencia al agua y oxígeno, los sustratos flexibles carecen de algunas de estas propiedades, lo que aumenta la necesidad de soluciones innovadoras para la encapsulación.

Numerosos estudios han demostrado que la encapsulación adecuada utilizando materiales de barrera flexibles de alta calidad y arquitecturas sencillas puede mejorar sustancialmente la estabilidad a largo plazo de los dispositivos flexibles. Además, pruebas con películas de calcio han indicado que la infiltración de humedad y oxígeno a través de las capas adhesivas y alrededor de los contactos eléctricos es un factor crítico que limita la vida útil del dispositivo, lo que subraya la importancia de desarrollar arquitecturas innovadoras de encapsulación. Un aspecto importante de la mejora de la durabilidad de los dispositivos es la incorporación de una capa barrera adicional en el sustrato flexible, dado que la mayoría de los materiales plásticos como PET y PEN presentan alta permeabilidad al agua.

Un aspecto adicional que debe ser considerado es cómo la flexión afecta al rendimiento y la estabilidad de los dispositivos flexibles. Investigaciones han mostrado que una ligera flexión de hasta 15° mejora ligeramente la absorción de luz en los dispositivos flexibles, mientras que las flexiones mayores pueden disminuir su eficiencia debido a la pérdida de reflectividad y el aumento del grosor de la capa activa en un estado doblado. Las simulaciones también han mostrado que la dirección de la flexión influye en el rendimiento del dispositivo: las flexiones hacia arriba causan menor pérdida de reflexión que aquellas hacia abajo, debido al fenómeno de convergencia de la luz.

¿Cómo afectan los métodos de deposición a las propiedades de las células solares de perovskita?

En el ámbito de la deposición de capas de perovskita para células solares, el proceso elegido tiene un impacto directo en las propiedades y el rendimiento del dispositivo. El método de deposición por co-evaporación multisource (MSVD) permite la evaporación simultánea de haluros metálicos y sales de amonio, lo que contribuye a una capa más homogénea y eficiente. El rendimiento del dispositivo en este caso está vinculado a la calidad del material evaporado, la temperatura del sustrato y el proceso de recocido. Este método, sin embargo, presenta complejidades operacionales, como la dificultad de lograr capas de perovskita estequiométricas, lo que ha llevado a la búsqueda de alternativas, como la deposición de una sola fuente (Single-SVD). En este último caso, se busca superar las dificultades de precisión en la estequiometría, logrando capas de mayor calidad.

A pesar de la versatilidad de estos métodos, no todos son adecuados para la deposición de materiales con altas temperaturas de sublimación, como TiO2, SnO2, NiOx o Al2O3, necesarios en la fabricación de capas funcionales de células solares de perovskita. Por ello, se han desarrollado técnicas adicionales como la deposición por capa atómica (ALD), el sputtering por magnetrón y la deposición por haz de electrones, que permiten trabajar con materiales que requieren temperaturas superiores a los 1.800°C, superando la limitación de los métodos tradicionales.

Un desafío importante para mantener un rendimiento alto en las células solares de perovskita a gran escala es la uniformidad de la película de perovskita. En las celdas de laboratorio, donde las películas son más pequeñas, se pueden obtener eficiencias elevadas, pero al escalar la producción, la falta de homogeneidad en la película (en cuanto a cobertura, rugosidad superficial, cristalinidad y composición química) se convierte en un problema. Los factores que afectan la homogeneidad incluyen la migración de cationes y la segregación de fases de los aniones de halógeno. Para mitigar estos problemas, se puede ajustar la duración del gel y controlar los precursores para inhibir la difusión de los iones y lograr películas uniformes y sin segregación de fases. Sin embargo, el desafío persiste, ya que la agregación local de aniones y cationes puede desencadenar transiciones de fase que llevan a la separación de fases y aceleran la degradación del material. Además, la tensión residual causada por la desalineación de los cristales durante la deposición de películas policristalinas puede causar grietas o delaminado en las capas.

La repetibilidad del proceso es otro factor crítico en la fabricación de dispositivos eficientes. Las irregularidades en la morfología de la película, la composición y la calidad cristalina afectan directamente la reproducibilidad de las celdas solares de perovskita. El control preciso de la formulación de los precursores, junto con un proceso de cristalización rápido, puede ser clave para mejorar la uniformidad de las células solares a gran escala y garantizar que el rendimiento no varíe entre diferentes lotes de producción.

En cuanto a la transición de las células solares de perovskita del laboratorio a la industrialización, ha habido avances significativos. La eficiencia de conversión de energía (PCE) de las células solares de perovskita ha pasado del 3.8% en 2009 a más del 30% en la actualidad, con una estabilidad que supera las 1,000 horas. Esto ha facilitado su integración en aplicaciones comerciales, como lo demuestran los avances alcanzados, como la obtención de la primera certificación TÜV de células solares de perovskita en 2019 y la inauguración de la primera línea de producción comercial en 2021.

En el campo de la validación de la tecnología, las pruebas aceleradas de vida útil son esenciales para prever la durabilidad de las células solares. Estas pruebas, que simulan el envejecimiento de las celdas bajo condiciones de luz y calor, permiten realizar predicciones sobre el rendimiento a largo plazo. Las normativas internacionales, como la IEC61215:2016, establecen los requisitos para la fotostabilidad y la estabilidad térmica de las celdas, proporcionando una base para la evaluación de su vida útil y facilitando la evaluación del retorno de inversión (ROI) y el análisis del ciclo de vida.

Además de estas pruebas aceleradas, la validación en el campo es crucial para corroborar los resultados obtenidos en laboratorio. Las pruebas a largo plazo bajo condiciones climáticas reales permiten predecir con mayor precisión la durabilidad de las células solares. Por ejemplo, un estudio realizado en Arabia Saudita mostró que las células solares perovskitas/Si alcanzaron una eficiencia del 21.4% después de un año de exposición a condiciones cálidas y húmedas. Sin embargo, la degradación principal en estas celdas fue atribuida a la perovskita, lo que refuerza la importancia de entender los mecanismos de degradación de este material.

¿Cómo están evolucionando las celdas solares de perovskita hacia la comercialización y cuáles son sus perspectivas futuras?

Las celdas solares de perovskita, un tema candente en la tecnología fotovoltaica, están mostrando un potencial impresionante en la mejora de la eficiencia y la reducción de costos de la energía solar. Empresas de todo el mundo se han centrado en desarrollos innovadores para integrar las celdas solares de perovskita en diversas aplicaciones, y muchas de estas tecnologías están alcanzando hitos importantes en la investigación y la producción industrial.

En otras regiones, como Polonia, Saule Technologies ha logrado avances significativos en el desarrollo de celdas solares flexibles basadas en perovskita, mientras que en Suiza, Meyer Burger Technology y Evolar AB se han concentrado en las células tándem basadas en perovskita. Estas celdas ofrecen ventajas en términos de eficiencia y durabilidad, ya que combinan las propiedades ópticas y electrónicas únicas de la perovskita con otros materiales semiconductores como el silicio.

La fabricación de células solares de perovskita a gran escala sigue siendo uno de los mayores retos, pero las investigaciones en procesos de producción más eficientes están progresando rápidamente. El uso de técnicas como la impresión de tinta solar, que se utiliza para crear celdas solares a partir de tinta de perovskita, está mostrando resultados prometedores. Esta tecnología no solo reduce los costos de producción, sino que también permite fabricar paneles solares más flexibles y ligeros, lo que abre la puerta a nuevas aplicaciones, como dispositivos portátiles y sistemas integrados en edificios.

Además de la mejora de la eficiencia, otro de los retos que enfrenta la tecnología de perovskita es la estabilidad y la durabilidad de las celdas solares. Si bien las primeras versiones de las celdas solares de perovskita eran susceptibles a la degradación bajo condiciones ambientales extremas, los avances recientes en la formulación de materiales y los procesos de fabricación han mejorado significativamente la resistencia y la vida útil de estas celdas. A medida que las empresas y los laboratorios de investigación continúan desarrollando soluciones para superar estos obstáculos, la perspectiva de una energía solar de perovskita de bajo costo y alto rendimiento se hace cada vez más real.

Con el tiempo, el futuro de las celdas solares de perovskita podría ver su integración en sistemas de energía solar de próxima generación. Las celdas solares de perovskita, en particular las células tándem, parecen ser la clave para superar los límites de eficiencia de las celdas solares tradicionales. Este tipo de celdas, que combinan diferentes materiales semiconductores, tienen el potencial de alcanzar eficiencias que superen el umbral de las células solares convencionales de silicio.

Además de la eficiencia energética, la capacidad de integrar estas celdas solares de perovskita en nuevas formas de arquitectura, como edificios con paneles solares integrados, es otro de los avances más significativos. Estos avances permiten una generación de energía más flexible, no solo en grandes instalaciones solares, sino también en aplicaciones de menor escala, como dispositivos portátiles y vehículos eléctricos.

En cuanto a los desarrollos futuros, las celdas solares de perovskita no solo están mejorando en términos de eficiencia, sino también en su capacidad de reciclaje y sostenibilidad. La posibilidad de utilizar materiales más ecológicos y procedimientos de reciclaje más eficaces abre la puerta a una energía solar más limpia y menos perjudicial para el medio ambiente. A pesar de los desafíos inherentes, como el riesgo de filtración de plomo, los esfuerzos de investigación en nuevas soluciones de reciclaje están avanzando con rapidez.

En resumen, las celdas solares de perovskita están en un punto de inflexión. Las empresas están superando obstáculos técnicos y económicos, y la industria está cada vez más cerca de la producción en masa. Esto podría transformar el mercado energético, ofreciendo una alternativa más económica y eficiente a las fuentes de energía tradicionales. La capacidad de producir paneles solares flexibles, ligeros y económicos abre nuevas posibilidades de integración en dispositivos inteligentes y soluciones arquitectónicas innovadoras, lo que podría acelerar aún más la transición global hacia las energías renovables.