¿Cómo influye la deformación inducida por condiciones externas en los materiales perovskitas?

La deformación en los materiales perovskitas, particularmente en aquellas utilizadas en celdas solares, está estrechamente relacionada con las condiciones externas a las que están sometidas, como las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre las capas funcionales y el sustrato, las influencias lumínicas, los cambios de temperatura, las tensiones eléctricas o las fuerzas externas aplicadas. Estos factores tienen un impacto directo en la estructura cristalina y, por lo tanto, en el rendimiento de los dispositivos que contienen estos materiales.

Además de las tensiones inducidas por la temperatura, las películas de perovskita también experimentan deformaciones debido a la iluminación. Los estudios han mostrado que bajo la exposición a la luz, los enlaces de hidrógeno entre el catión MA y el ión I se debilitan, lo que genera una expansión en la estructura de la red cristalina. Esta expansión contribuye a aliviar la distorsión de la red de Pb-I-Pb, pero también facilita la migración de iones y debilita los enlaces, lo que puede inducir tensiones adicionales. Este fenómeno es crucial para comprender el comportamiento de las celdas solares bajo condiciones de iluminación, ya que las tensiones inducidas por la luz pueden afectar negativamente la estabilidad de la celda.

Además de la temperatura, la iluminación y el desajuste de la red, las tensiones también pueden ser inducidas por la aplicación de un sesgo eléctrico. Los estudios han demostrado que un sesgo eléctrico positivo puede causar una morfología superficial ondulada en la película de perovskita, mientras que un sesgo negativo puede suavizar estas irregularidades. La manipulación de la presión hidrostática aplicada a la película o la flexión de sustratos flexibles también puede inducir tensiones, tanto compresivas como tensiles, que afectan la estructura cristalina de la perovskita.

Es esencial comprender que estas deformaciones no son siempre homogéneas y pueden variar dependiendo del tipo de perovskita utilizada. Algunos materiales, como el FAPbI3, muestran una expansión de la red solo bajo condiciones de temperatura elevada, mientras que otros, como el MAPbI3, responden tanto a la temperatura como a la iluminación. Esta diferencia en la respuesta a los estímulos externos tiene implicaciones en el diseño y la fabricación de celdas solares perovskitas de alta eficiencia, ya que la forma en que estos materiales se comportan bajo diferentes condiciones puede influir directamente en su rendimiento a largo plazo.

La caracterización precisa de la deformación en las películas de perovskita es crucial para el desarrollo de dispositivos más eficientes y estables. Técnicas como la difracción de rayos X (XRD) se utilizan comúnmente para evaluar la deformación en los materiales. Esta técnica permite determinar el desplazamiento de los picos de difracción, lo que indica la presencia de tensiones. Cuando la perovskita experimenta una deformación tensil, se observa un aumento en el espaciamiento de las capas de la red, mientras que una deformación compresiva reduce este espaciamiento. A través de métodos como el análisis de la amplitud de los picos XRD, es posible obtener una visión más detallada de la microdeformación y de la naturaleza de las tensiones que afectan a la película de perovskita.

Es importante destacar que, más allá de las deformaciones causadas por factores externos, las condiciones de fabricación, como las temperaturas de recocido, también juegan un papel crucial en la formación de tensiones residuales. Las temperaturas elevadas son necesarias para mejorar la cristalización de las perovskitas, pero inevitablemente inducen tensiones que deben ser gestionadas cuidadosamente para evitar la degradación prematura del dispositivo.

¿Cómo el control de la cristalización define la eficiencia y estabilidad en las perovskitas híbridas?

La comprensión detallada de la dinámica de cristalización y las transiciones de fase en materiales perovskíticos constituye el núcleo de su desarrollo tecnológico. En el ámbito de las perovskitas bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D), la interacción entre ambas estructuras determina no solo el transporte de carga, sino también la estabilidad y escalabilidad de los dispositivos solares. El control de la ruta de transición de fase, así como de la morfología cristalina, permite ajustar las propiedades electrónicas de los materiales con una precisión cuasi atómica.

Estudios recientes han demostrado que el tamaño y la forma de los ligandos ejercen un impacto decisivo sobre la evolución estructural de las perovskitas 2D depositadas sobre sustratos 3D. Ligandos de menor tamaño y con más sitios reactivos tienden a estabilizar la fase n = 1, caracterizada por un confinamiento cuántico más fuerte, mientras que el aumento del volumen molecular y la reducción de los puntos de anclaje favorecen la transformación hacia fases de orden superior (n = 3 o n < 3). Este control racional de la distribución de fases permite equilibrar la movilidad de carga con la estabilidad del material, alcanzando eficiencias de conversión superiores al 20 % en células solares basadas en CsPbI₃ tratadas con yoduro de n-butilamonio, un hito notable en la impresión de perovskitas inorgánicas.

Las perovskitas 2D, además, ofrecen ventajas notables en estabilidad y flexibilidad estructural. Su comportamiento electrónico depende fuertemente de la calidad de grano, la pureza de fase y la distribución de espesores cuánticos n. La velocidad de evaporación del disolvente durante la deposición —por técnicas como el hot casting o el dripping de antidisolvante— modula la uniformidad de dicha distribución, conduciendo a una orientación cristalina preferente y a granos de mayor tamaño. Experimentos in situ mediante GIWAXS han revelado que una transición rápida y directa desde un precursor desordenado hacia la fase perovskítica favorece la formación de estructuras ordenadas y de alta pureza, mientras que temperaturas bajas inducen fases intermedias y orientaciones aleatorias debido a la cristalización parcial de PbI₂ y complejos solvatados.

La ingeniería cinética del crecimiento, aplicada tanto a perovskitas tipo Ruddlesden–Popper (RP) como Dion–Jacobson (DJ), permite afinar la energía de los pozos cuánticos y controlar la recombinación no radiativa. La manipulación de fases intermedias mediante aditivos —por ejemplo, MACl— o mediante el diseño de precursores coloidales estabilizados propicia un transporte de carga más eficiente desde las capas de bajo n hacia las regiones de volumen, reduciendo pérdidas y mejorando la conversión fotoeléctrica.

En la escala industrial, el reto consiste en trasladar esta precisión estructural a películas de gran área sin comprometer la uniformidad ni la ausencia de defectos. Métodos como el blade coating, slot-die coating, inkjet o screen printing se perfilan como alternativas a la tradicional técnica de spin coating, ineficiente a nivel de producción masiva. La obtención de películas continuas, libres de microporos y con orientación controlada se considera un paso decisivo hacia la comercialización de las células solares perovskíticas.

Comprender la relación entre la dinámica de cristalización, la distribución de fases y la orientación de los granos implica concebir el proceso de fabricación no como una simple deposición, sino como una ingeniería del equilibrio termodinámico bajo condiciones cinéticas específicas. La morfología final del cristal surge como una consecuencia directa de la energía libre del sistema y del tiempo característico de nucleación y crecimiento, que puede ajustarse mediante la composición química, la temperatura del sustrato y la velocidad de evaporación del solvente.

El lector debe comprender que el verdadero avance de la tecnología perovskítica no radica únicamente en alcanzar una eficiencia récord, sino en dominar las condiciones que gobiernan la autoorganización de la materia en escalas nanométricas. La ingeniería de las rutas de transición de fase, la manipulación de los defectos y la orientación selectiva de las facetas son las llaves que abren el camino hacia dispositivos estables, reproducibles y listos para su integración en la producción industrial de energía solar.