Investigadores del Instituto de Química Aplicada de Changchun, en la Academia China de Ciencias, desarrollaron un material molecular birradical autoensamblado que mejora significativamente la eficiencia, la estabilidad y la uniformidad de fabricación en células solares de perovskita. 

El equipo, liderado por Wang Lixiang, Qin Chuanjiang y Zhou Min, que ha publicado los resultados en la revista Science, diseñó por primera vez una molécula autoensamblada con propiedades birradicales, alta eficiencia y dispersión uniforme. Esta innovación permite una mejora sustancial en la eficiencia de conversión fotoeléctrica, la estabilidad operativa del dispositivo y el procesamiento uniforme sobre grandes superficies, uno de los principales retos para escalar la tecnología.

Las células solares de perovskita han sido ampliamente reconocidas como una de las tecnologías más prometedoras para la próxima generación de energía fotovoltaica, debido a su alta eficiencia potencial y bajo costo de fabricación. No obstante, su industrialización enfrenta desafíos importantes, especialmente en lo que respecta a la fabricación de capas de transporte de huecos, que suelen depender de materiales costosos, procesos de formación de película complejos y con frecuencia presentan inestabilidad térmica y deficiencias en el contacto entre capas.

Fuente: Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China

Frente a estas limitaciones, el equipo chino introdujo una estrategia de diseño basada en la conjugación donante-aceptor para crear una molécula dirradical de capa abierta. Esta presenta radicales libres estables a temperatura ambiente y una concentración de espín aproximadamente mil veces superior a la de los materiales autoensamblados tradicionales. Su estructura electrónica favorece el transporte de portadores de carga, mientras que el diseño estérico impide el apilamiento molecular, asegurando una distribución uniforme en soluciones aplicadas a gran escala.

Funcionamiento del autoensamblado molecular en células solares

El nuevo material se basa en un principio de autoensamblado molecular, en el que las moléculas se organizan de forma espontánea al depositarse sobre la superficie de la célula solar. Este proceso da lugar a una capa delgada, continua y homogénea que actúa como capa de transporte de huecos (HTL), facilitando el movimiento de cargas hacia el electrodo correspondiente. A diferencia de los métodos tradicionales, evita defectos y distribuciones irregulares, lo que mejora el rendimiento y la estabilidad del dispositivo. Además, se integra fácilmente mediante técnicas de bajo costo como spin-coating o inmersión, adecuadas para la producción industrial.

Eficiencia certificada y aplicación industrial

Las células solares basadas en este nuevo material alcanzaron niveles récord de eficiencia: 26,3 % en dispositivos de área pequeña, 23,6 % en micromódulos, y más del 34,2 % en células en tándem perovskita–silicio, cifras certificadas por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos. La combinación de eficiencia, estabilidad y viabilidad de fabricación posiciona a este desarrollo como un avance clave hacia la comercialización a gran escala de la tecnología perovskita.

Doble de tasa de transferencia y estabilidad prolongada

Los investigadores realizaron un análisis cuantitativo de la tasa de transferencia de portadores y de la estabilidad bajo condiciones simuladas. Los resultados mostraron que el nuevo material duplica la capacidad de transporte de carga en comparación con materiales tradicionales y mantiene una estabilidad operativa excepcional, sin degradación significativa tras miles de horas de funcionamiento continuo. Esto se atribuye a la formación de una monocapa densa y estable mediante anclaje covalente, en contraste con las estructuras híbridas y menos uniformes formadas por los materiales anteriores.