Es común que los paneles solares queden a la sombra de árboles, nubes, pájaros o edificios. Sin embargo, en las tecnologías solares de película delgada, dicha sombra puede provocar que las zonas sombreadas desarrollen una tensión inversa (voltaje negativo), lo que puede reducir la eficiencia de generación de energía e incluso dañar los módulos de células solares.
Un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) ha desarrollado una nueva generación de células solares en tándem orgánicas-perovskita (POTSC) que no solo ofrecen una alta eficiencia de generación de energía, sino que también resisten eficazmente los daños causados por voltajes negativos. Incluso bajo una polarización inversa extrema de -40 V, los dispositivos en tándem conservan más del 90% de su eficiencia inicial de generación de energía, superando con creces todas las tecnologías solares de película delgada existentes, lo que representa un paso clave hacia la aplicación práctica de la tecnología solar de película delgada. Las tecnologías solares de película delgada, como el telururo de cadmio (CdTe), el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), la perovskita y las células solares orgánicas, ofrecen ventajas distintivas, entre las que se incluyen ligereza, flexibilidad y una fabricación rentable.
Sin embargo, estos materiales comparten una debilidad común: debido a sus propiedades de conducción híbrida electrón-ión, una vez que una celda solar se encuentra parcialmente sombreada y genera voltaje negativo, mantener un rendimiento sostenido se vuelve difícil e incluso los componentes pueden dañarse. Por lo tanto, la capacidad de resistir la polarización inversa es clave para determinar si la tecnología solar de película delgada es duradera y capaz de operar de manera estable a largo plazo.
Un punto débil bajo el sombreado
Las células solares orgánicas (OSC) han experimentado avances significativos en eficiencia y durabilidad en los últimos años. Sin embargo, su comportamiento bajo polarización inversa y los mecanismos subyacentes de transporte de carga en las heterouniones masivas (la capa activa generadora de energía dentro de la célula, formada por la mezcla de dos materiales) siguen siendo en gran medida desconocidos.
Subsanar estas lagunas de conocimiento es un paso indispensable para la aplicación práctica de la tecnología solar de película delgada. El profesor Li Gang, catedrático de tecnología de conversión de energía en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), profesor Sir Sze-yuen Chung de Energía Renovable y director asociado del Instituto de Investigación de Energía Inteligente (RISE) de la PolyU, y su equipo de investigación han abordado el aspecto, a menudo pasado por alto pero fundamental, de la polarización inversa.
Li afirmó: “Hemos logrado avances importantes en la estabilidad de las células solares orgánicas (OSC) y las células solares de perovskita (POTSC) en condiciones exigentes de polarización inversa. Nuestra investigación aporta contribuciones revolucionarias a la comprensión del funcionamiento y la durabilidad de los dispositivos en las tecnologías solares orgánicas y de perovskita”.
Defectos que provocan daños por polarización inversa
La razón por la que las células solares orgánicas se dañan bajo polarización inversa radica en defectos conocidos como estados trampa profundos dentro de la heteroestructura del material. Estas trampas invisibles en el material de la célula solar inmovilizan las cargas responsables de la generación de energía, lo que reduce la eficiencia de la célula e incluso puede causar daños.
El equipo logró un avance significativo mediante enfoques innovadores e intervenciones estratégicas. Al suprimir los cúmulos de aceptores aislados dentro de la región de mezcla donador-aceptor (el área en el núcleo generador de energía de la celda donde se mezclan los dos materiales responsables de liberar y recibir cargas), el equipo minimizó los defectos mencionados anteriormente y desarrolló células solares orgánicas de alto rendimiento con un voltaje de ruptura irreversible superior a -35 V.
En otras palabras, siempre que el voltaje negativo no supere los -35 V, la celda no sufrirá daños permanentes. Esto mejora sustancialmente la resistencia a los daños y establece un nuevo referente en cuanto a la eficiencia y estabilidad de las celdas solares orgánicas.
Protección de la capa de perovskita
El estudio demuestra que, al suprimir el efecto túnel inverso (fenómeno por el cual, cuando una célula solar está a la sombra, la corriente fluye en sentido inverso, generando un voltaje negativo y dañando la célula) en células solares tándem orgánicas-inorgánicas de perovskita nip, las células solares orgánicas protegen eficazmente la capa de perovskita. Incluso tras la exposición a una polarización inversa extrema de -40 V, los dispositivos tándem conservaron más del 90% de su eficiencia inicial.
Además, estas células solares en tándem demostraron ser muy estables: tras un funcionamiento continuo a -20 V durante 12 horas, conservaron el 90 % de su eficiencia inicial, y tras un funcionamiento continuo a -4,5 V durante 2000 horas, conservaron hasta el 97 % de su eficiencia inicial, superando con creces todas las tecnologías solares de película delgada existentes.
La investigación se ha publicado en el artículo “Celdas solares en tándem de perovskita-orgánicas con estabilidad superior a polarización inversa”, en Nature Materials.
El estudio proporciona una comprensión integral de los mecanismos de transporte de carga inversa en células solares orgánicas de heterounión masiva, supera la inestabilidad de polarización inversa en células solares basadas en perovskita y proporciona directrices fundamentales para el desarrollo de POTSC robustas.
Progreso hacia módulos prácticos
En investigaciones anteriores, Li y su equipo demostraron que las células solares orgánicas de perovskita (POTSC) inorgánicas n-i-p alcanzaron una impresionante eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 25,9% (certificada en 25,1%) mediante la modulación de contactos inferiores, con una estabilidad mejorada en diversas condiciones. Dicho estudio se publicó en Nature Energy en 2025.
En el estudio más reciente, las células solares orgánicas de nip también demostraron una eficiencia de conversión de potencia (PCE) superior al 26%, junto con una estabilidad de polarización inversa sin precedentes, lo que impulsa su desarrollo hacia aplicaciones prácticas. El Dr. Huang Jiaming, investigador postdoctoral, y Han Yu, estudiante de doctorado, ambos del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), son los primeros autores de los artículos publicados en Nature Materials y Nature Energy, respectivamente. El Dr. Ren Zhiwei, profesor asistente de investigación en el mismo departamento, es coautor correspondiente de ambas publicaciones.
Li añadió: “La excepcional estabilidad a polarización inversa en condiciones de sombreado se ha demostrado claramente en minimódulos solares tándem de perovskita-orgánicos escalables. Esto supone un importante avance, allanando el camino hacia un futuro sostenible y eficiente impulsado por sistemas de energía renovable”.
Fuente: Tech Xplore.
