Células solares de tercera generación
Células solares de perovskita
Las células solares de perovskita utilizan materiales híbridos de perovskita de haluro de plomo orgánico-inorgánico como capa absorbente de luz, caracterizada por la estructura cristalina general ABX₃ donde A es un catión orgánico o inorgánico monovalente (p. ej., metilamonio, MA⁺), B es un catión metálico divalente (típicamente Pb²⁺) y X es un anión haluro (p. ej., I⁻, Br⁻ o Cl⁻). Un ejemplo prototípico es el yoduro de plomo y metilamonio (MAPbI₃), que presenta una banda prohibida directa adecuada para la absorción fotovoltaica. Estos materiales generalmente se fabrican mediante técnicas de procesamiento de soluciones a baja temperatura, como el recubrimiento por rotación, donde los precursores de perovskita se disuelven en solventes y se depositan sobre sustratos, o métodos de deposición de vapor como la evaporación térmica para obtener películas más uniformes.
La tecnología se originó en 2009 con una eficiencia de conversión de energía (PCE) inicial del 3,8% informada por Kojima et al., quienes utilizaron perovskitas de haluro de organoplomo como sensibilizadores en células solares sensibilizadas con tintes. En 2012, investigadores de la Universidad de Oxford, dirigidos por Henry Snaith, produjeron un avance fundamental, quienes desarrollaron una arquitectura de dispositivo de estado sólido que logró una eficiencia del 9,7% y demostró la viabilidad de la perovskita como absorbente primario en lugar de un mero sensibilizador. Desde entonces, los rápidos avances han impulsado las células de perovskita de unión simple a escala de laboratorio a PCE certificadas que superan el 25 %, con registros que alcanzan el 27,0 % a partir de 2025 verificados por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). En configuraciones en tándem, particularmente con celdas inferiores de silicio, las eficiencias han superado el 33%, con un 34,85% certificado logrado por LONGi en 2025.[52][53][54]
Las ventajas clave de las células solares de perovskita incluyen su potencial de fabricación de bajo costo debido a un procesamiento simple basado en soluciones que evita los requisitos de alto vacío o alta temperatura típicos de la producción de silicio. La banda prohibida se puede ajustar entre 1,5 y 2,3 eV ajustando el catión del sitio A, la composición del haluro o la dimensionalidad, lo que permite la optimización para aplicaciones de unión única o de unión múltiple. Además, estos materiales exhiben una alta tolerancia a los defectos, lo que permite una extracción eficiente del portador de carga a pesar de las imperfecciones en la red cristalina; esto se debe a la división de bandas de Rashba, un efecto de acoplamiento de órbita de espín que crea una banda prohibida indirecta y reduce la recombinación no radiativa en los defectos.
A pesar de estas fortalezas, las células solares de perovskita enfrentan desafíos importantes, incluida la inestabilidad bajo factores ambientales estresantes como la humedad, que hidroliza el material y conduce a la descomposición de fases; temperaturas elevadas superiores a 85°C, que provocan degradación térmica; y luz ultravioleta, que acelera la migración de iones y la formación de trampas. El uso de plomo en la mayoría de las formulaciones también plantea preocupaciones sobre la toxicidad, ya que la lixiviación de los módulos dañados podría plantear riesgos para el medio ambiente y la salud. Los esfuerzos para mitigar estos problemas incluyen la encapsulación y la ingeniería de composición, pero la estabilidad operativa a largo plazo sigue estando por debajo de los estándares comerciales de silicio. Las pruebas de estabilidad recientes verificadas por NREL en noviembre de 2025 demuestran la retención de una eficiencia inicial del 100 % después de 1200 horas de funcionamiento continuo.[57][58][59]
A partir de 2025, empresas como LONGi y TrinaSolar están llevando a cabo pilotos comerciales para módulos tándem de perovskita-silicio, con líneas de producción iniciales que apuntan a eficiencias superiores al 30%, aunque persisten problemas de escalabilidad como la deposición uniforme de grandes áreas y la consistencia del rendimiento. La producción comercial de Oxford PV y otros ha comenzado a ampliar los módulos tándem hacia la entrada al mercado. Las células de perovskita a menudo se integran en tándem con silicio para aprovechar bandas prohibidas complementarias, como se detalla en la sección de células solares en tándem.
Células fotovoltaicas orgánicas
Las células fotovoltaicas orgánicas (OPV), también conocidas como células solares de polímero, utilizan semiconductores orgánicos, normalmente polímeros conjugados, para convertir la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. [63] Esta estructura se procesa mediante solución, lo que permite técnicas de fabricación de bajo costo como el recubrimiento por rotación, la impresión o el recubrimiento con cuchilla a temperaturas inferiores a 150 °C, lo que contrasta con los requisitos de alta temperatura de las células solares inorgánicas.[64]
Las eficiencias de laboratorio para las celdas OPV de unión simple alcanzaron hasta el 20,82 % a principios de 2025, impulsadas por morfologías optimizadas e innovaciones de materiales, mientras que los módulos de área grande generalmente alcanzan alrededor del 12 % al 15 % en condiciones estándar.[65] Una limitación clave en los diseños de BHJ surge de la corta longitud de difusión de los excitones en materiales orgánicos, generalmente alrededor de 10 nm, lo que requiere una separación de fases a nanoescala para garantizar que los excitones alcancen las interfaces donante-aceptor antes de recombinarse. Esta longitud está descrita por la ecuación
donde LLL es la longitud de difusión, DDD es el coeficiente de difusión del excitón y τ\tauτ es la vida útil del excitón.[66]
Las células OPV ofrecen importantes ventajas, incluida una construcción ultraligera con capas activas que pesan menos de 1 g/m², semitransparencia inherente para aplicaciones como la energía fotovoltaica integrada en edificios y compatibilidad con la impresión a baja temperatura sobre sustratos flexibles como textiles o plásticos.[67] Sin embargo, adolecen de inconvenientes como una estabilidad reducida debido a la degradación por la exposición al oxígeno y la humedad, lo que lleva a una vida útil de sólo unos pocos miles de horas en condiciones operativas, y un espectro de absorción relativamente estrecho que limita la utilización del espectro solar en comparación con sus homólogos inorgánicos.[68]
La tecnología OPV, pionera en la década de 1980 con los primeros dispositivos bicapa, ha evolucionado rápidamente, particularmente mediante la adopción de aceptores no fullerenos (NFA) desde la década de 2010, que han ampliado los rangos de absorción y mejorado las salidas de voltaje, contribuyendo a ganancias de eficiencia superiores al 20%. Para 2025, estos avances habrán permitido la implementación práctica en dispositivos portátiles, como sensores flexibles y dispositivos de Internet de las cosas (IoT), donde las OPV alimentan dispositivos electrónicos de bajo consumo de energía bajo iluminación ambiental interior sin baterías.[67][69]
Células solares sensibilizadas por colorantes.
Las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC), también conocidas como células de Grätzel, fueron inventadas por Brian O'Regan y Michael Grätzel en 1991, introduciendo un enfoque biomimético inspirado en la fotosíntesis para la conversión de energía fotovoltaica. La estructura central consta de un ánodo mesoporoso de dióxido de titanio (TiO₂), típicamente una película nanoporosa con una gran superficie, sensibilizada por tintes a base de rutenio como N719 o N3 que absorben la luz visible.[71] Este fotoánodo está emparejado con un electrolito líquido, comúnmente un par redox yoduro/triyoduro (I⁻/I₃⁻), y un contraelectrodo recubierto de platino sobre un sustrato conductor transparente como óxido de estaño dopado con flúor (FTO). El diseño permite una separación de carga eficiente sin depender de una unión p-n tradicional, lo que lo hace adecuado para la fabricación de bajo costo mediante el procesamiento de soluciones.
El mecanismo operativo clave implica la fotoinyección, donde los fotones incidentes excitan los electrones en la molécula de tinte desde su estado fundamental (HOMO) a un estado excitado (LUMO), seguido de una inyección rápida en la banda de conducción del semiconductor de TiO₂ de banda ancha. Los electrones inyectados se difunden a través de la red mesoporosa hacia el circuito externo, mientras que el electrolito regenera el tinte oxidado, que a su vez se reduce en el contraelectrodo. Este proceso produce eficiencias de conversión de energía (PCE) en el laboratorio que van del 10% al 14%, con registros certificados de alrededor del 14,2% bajo iluminación estándar AM1.5. Para 2025, la eficiencia de los módulos estables habrá alcanzado aproximadamente el 11 %, aunque el escalamiento sigue siendo un desafío debido a las interacciones de los materiales.
Las DSSC ofrecen varias ventajas, incluido el uso de materiales abundantes y de bajo costo como TiO₂ y técnicas de impresión simples que reducen los gastos de fabricación en comparación con las células basadas en silicio. Funcionan bien en condiciones de luz difusa o de poca luz, como la iluminación interior, y conservan más del 70 % de la eficiencia máxima a 200 lux, lo que se adapta a aplicaciones como sensores o dispositivos portátiles.[72] Además, sus colores ajustables y su semitransparencia permiten diseños estéticamente agradables para energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), lo que permite la integración en ventanas o fachadas sin comprometer el atractivo visual.[73] Sin embargo, los inconvenientes incluyen la volatilidad y las fugas de electrolitos líquidos, que conducen a la degradación con el tiempo, así como la corrosión de los electrodos por las especies de yoduro, lo que limita la estabilidad a largo plazo a cientos de horas de funcionamiento. Sus PCE también van por detrás de las células de silicio cristalino, que superan el 25%.
Los esfuerzos para abordar estos problemas han llevado a la aparición de variantes de estado sólido para 2025, reemplazando los electrolitos líquidos con conductores cuasi sólidos o de orificios sólidos como Spiro-OMeTAD o polímeros para evitar fugas y mejorar la durabilidad. Estas configuraciones alcanzan PCE alrededor del 10-12% en los laboratorios, pero enfrentan obstáculos de comercialización debido a una mayor recombinación de interfaces y complejidades de procesamiento, con módulos aún por debajo del 8% de estabilidad.[74] A pesar de los avances, la adopción generalizada sigue siendo limitada y se centra principalmente en aplicaciones específicas de interior o flexibles.[75]
Células solares de puntos cuánticos
Las células solares de puntos cuánticos utilizan nanocristales semiconductores conocidos como puntos cuánticos (QD), que exhiben efectos de confinamiento cuántico que alteran sus propiedades electrónicas a nanoescala. Estas estructuras de dimensión cero confinan electrones y huecos en las tres dimensiones espaciales, lo que genera niveles de energía discretos y una banda prohibida dependiente del tamaño, lo que permite una mayor absorción de luz y potencial para la extracción de portadores calientes. El efecto de confinamiento cuántico se puede describir mediante la ecuación aproximada para la energía de banda prohibida de un QD:
donde Eg(bulk)E_g(\text{bulk})Eg(bulk) es la banda prohibida en masa, ℏ\hbarℏ es la constante de Planck reducida, μ\muμ es la masa reducida del par electrón-hueco y rrr es el radio QD.[76]
Las primeras investigaciones sobre QD se remontan a la década de 1980, con trabajos pioneros de Alexei Ekimov y Louis Brus que demostraron el confinamiento cuántico en nanocristales semiconductores coloidales como el CdSe.[77] Para la década de 2020, los QD coloidales como el sulfuro de plomo (PbS) y el seleniuro de cadmio (CdSe) se han vuelto fundamentales para las arquitecturas de las células solares, generalmente ensamblados en uniones Schottky o configuraciones pin donde la capa QD actúa como absorbente. En estos dispositivos, los ligandos aislantes largos de los QD se intercambian por unos conductores cortos para facilitar el transporte de carga y minimizar la recombinación.[78]
Una ventaja clave de las células solares QD es la banda prohibida sintonizable, que varía de 0,5 a 2 eV al variar el tamaño del QD, lo que permite la optimización para diferentes regiones del espectro solar, incluida la sensibilidad infrarroja (IR) para una absorción más amplia. Además, su naturaleza procesable por solución respalda la fabricación escalable y de bajo costo mediante técnicas como el recubrimiento por rotación o la impresión. Las eficiencias de laboratorio de las células solares coloidales QD alcanzaron entre el 12% y el 14% para 2025, y los dispositivos p-i-n basados en PbS alcanzaron un valor certificado del 13,62% en agosto de 2025. En teoría, es posible obtener eficiencias superiores al 40% mediante la generación de múltiples excitones (MEG), donde un solo fotón de alta energía crea múltiples pares electrón-hueco, superando el límite de Shockley-Queisser para células de unión simple.[79][80][81]
A pesar de estos beneficios, persisten los desafíos, incluidos los estados de trampa superficial que reducen el voltaje de circuito abierto (Voc) al promover la recombinación no radiativa, y la toxicidad de metales pesados como el plomo y el cadmio en QD comunes como PbS y CdSe. Para 2025, los avances en las tintas QD habrán permitido la utilización de energía fotovoltaica flexible con una procesabilidad mejorada, aunque la estabilidad a largo plazo en condiciones operativas sigue siendo una limitación, y a menudo va por detrás de las tecnologías establecidas. Los híbridos QD-perovskita recientes se han mostrado prometedores para mejorar la recolección de IR, compartiendo un estado emergente con las células de perovskita pero enfatizando el confinamiento a nanoescala para MEG.