Las células solares basadas en agua baten récords de eficiencia anteriores

Una célula solar debe generar de forma fiable portadores de carga a partir de una película de material extremadamente fina y transportarlos hasta sus electrodos. En las células de silicio clásicas, esta tarea la realiza un semiconductor cristalino. Las células solares orgánicas funcionan de manera diferente. Su capa activa está formada por moléculas semiconductoras que contienen carbono y que pueden convertirse en películas muy finas. Esto los hace teóricamente adecuados para películas ligeras, superficies curvas y procesos de impresión de gran tamaño. Sin embargo, el atractivo industrial no depende sólo de la eficiencia final. La fabricación también determina si una tecnología es realmente escalable y respetuosa con los recursos. Hasta ahora, muchos semiconductores orgánicos potentes se han procesado a partir de disolventes orgánicos, lo que puede provocar problemas de salud o ecológicos. El producto a base de agua sería mucho más atractivo, pero las moléculas semiconductoras no se disuelven fácilmente en él. En cambio, deben distribuirse como pequeñas nanopartículas en una tinta estable.

Precisamente en este punto surge un problema específico del material. Una nanopartícula no es sólo una gota más pequeña que la película terminada de una célula solar. Durante su formación, los distintos componentes se disponen de forma diferente en las interfaces. En las células solares orgánicas, los llamados materiales donadores y aceptores deben estar dispuestos uno al lado del otro formando una estructura fina. Sólo entonces la energía luminosa, la separación de cargas y el transporte podrán trabajar juntos de manera eficiente. Sin embargo, si las partículas forman una capa desfavorable, no se fusionan de manera óptima durante el secado para formar una capa activa coherente. Durante mucho tiempo, esto limitó la eficiencia de las células tratadas con agua. Otras tecnologías fotovoltaicas ya están alcanzando récords significativamente más altos. Por ejemplo, una celda en tándem de perovskita y silicio logró una eficiencia certificada del 35,5 % en 2026. El nuevo récord se refiere a otra clase de materiales y, por tanto, resuelve un problema diferente.

Las células solares de base agua alcanzan un 12,59% certificado.

El equipo de investigación internacional informa en Nature Communications que las células solares a base de agua tienen una eficiencia medida del 12,64% y un valor certificado de forma independiente del 12,59%. El punto de referencia anterior para las células solares orgánicas a base de agua era del 11,1%. La diferencia absoluta a primera vista parece pequeña en comparación con las células de alto rendimiento fabricadas con otros materiales, pero dentro de esta clase de fabricación especial es crucial. La eficiencia describe la proporción de luz incidente que una célula solar convierte en energía eléctrica. Especialmente en los nuevos procesos de producción es difícil ganar cada punto porcentual extra, porque hay que mejorar varios mecanismos de pérdida al mismo tiempo. Por lo tanto, los investigadores no sólo aumentaron la absorción de luz, sino que también cambiaron específicamente la estructura interna de las nanopartículas y, con ello, el posterior transporte de carga.

El paso crucial ocurre en la interfaz agua-aceite.

El quid técnico radica en la tensión interfacial entre el agua y una fase orgánica durante la producción de partículas. Allí los materiales semiconductores se reordenan. Sin un control específico, se crea una capa exterior altamente ordenada y que contiene muchos donantes. Posteriormente, esta capa dificulta que las nanopartículas vecinas se fusionen para formar una película uniforme. Luego, el equipo cambió las condiciones en el límite líquido para que se formara una región de superficie policristalina más mixta. Esto permitió que las partículas se fusionaran mejor durante el secado. Las fases se volvieron más coherentes y el empaquetamiento molecular más uniforme. Estos detalles nanoscópicos son cruciales para el funcionamiento de una célula solar orgánica. Los electrones y los portadores de carga positiva deben separarse después de la absorción de la luz y luego transportarse en diferentes direcciones. Los caminos rotos o las interfaces desfavorables aumentan la probabilidad de que se junten y se pierda la energía absorbida.

Porque las nanopartículas determinan la corriente de la celda finita

El trabajo muestra cómo las propiedades de la energía fotovoltaica terminada están estrechamente relacionadas con la formación de las nanopartículas individuales. Los investigadores combinaron técnicas de medición estructural para monitorear cómo cambia la distribución del material desde una sola partícula hasta la película seca. Una superficie mixta mejorada promovió la fusión de partículas y creó rutas de transporte más continuas. Esto aumentó tanto la generación como el transporte de carga, al tiempo que suprimió la recombinación no deseada. Esto es particularmente relevante para la electrónica impresa porque, en teoría, dichas tintas se pueden aplicar en grandes áreas mediante procesos de recubrimiento e impresión. Las células solares orgánicas no necesariamente compiten directamente con los módulos rígidos de silicio en los tejados. Sus ventajas residen en el bajo peso, la flexibilidad mecánica y las temperaturas de proceso potencialmente bajas. Cuantos menos disolventes problemáticos se necesiten, más interesante será su producción para aplicaciones en las que las superficies grandes y finas son cruciales.

Más de 2000 horas a 85 grados centígrados

Si una célula envejece rápidamente, la alta eficiencia por sí sola no es suficiente. Por tanto, una segunda observación del trabajo es al menos igualmente relevante. Las nuevas células alcanzaron un valor T80 de más de 2.000 horas a 85 grados Celsius en condiciones de estrés térmico. T80 se refiere al tiempo que tarda la potencia en bajar al 80% de su valor inicial. Estas pruebas de envejecimiento acelerado no reemplazan décadas de uso en exteriores, pero permiten una comparación estandarizada entre diferentes materiales. El calor es especialmente desafiante para las capas semiconductoras orgánicas porque las estructuras finas pueden cambiar. A medida que las áreas donantes y aceptoras migran o se hinchan, las vías de transporte se deterioran. La nueva estructura aparentemente estabilizó la morfología misma, lo que al mismo tiempo permite una mayor eficiencia. Esto distingue el trabajo de un puro intento de récord, en el que la máxima eficiencia sólo se logra durante un corto período de tiempo en condiciones ideales de laboratorio.

El récord es inferior al del silicio pero sigue siendo importante

Una comparación directa del 12,59% con más del 30% de las células tándem modernas sería engañosa. Ambas tecnologías persiguen objetivos diferentes. Las células en tándem de alto rendimiento maximizan principalmente el rendimiento energético por área. Las células solares orgánicas a base de agua, por otro lado, buscan una combinación de estructura delgada y flexible y un procesamiento potencialmente más simple. Las células triples están alcanzando valores que hace sólo unos años parecían casi imposibles, como lo demuestra el récord establecido por una célula solar triple suiza. Para la evaluación industrial no sólo importa la máxima eficiencia, sino también el uso de materiales, la velocidad de producción, la duración, el peso y el tipo de productos químicos utilizados. Una tecnología puede ser significativamente más débil en una de estas categorías y particularmente atractiva en otra.

El uso del agua pasa de ser un compromiso a ser una opción realista

El equipo de Wei Ma de la Universidad Xi’an Jiaotong ha estado trabajando durante años en semiconductores orgánicos, dispersión de rayos X y materiales energéticos. El perfil de investigación oficial de la universidad menciona explícitamente las células solares orgánicas como tema central. El nuevo descubrimiento cambia ahora un límite práctico central de este campo. Hasta ahora, la tecnología basada en agua implicaba a menudo tener que aceptar un compromiso importante en términos de rendimiento eléctrico. El nuevo control de materiales reduce esta desventaja sin simplemente evitar el problema del disolvente con otro proceso de alto rendimiento. En cuanto a los módulos industriales, quedan preguntas sin respuesta, incluido el recubrimiento de grandes superficies, la fabricación reproducible, la estabilidad a largo plazo bajo el sol y la humedad, y los costos. Sin embargo, los datos muestran que la química de los disolventes y la alta eficiencia no tienen por qué ser necesariamente opuestas.

Nature Communications, el control de la cinética interfacial aceite-agua permite que las células solares orgánicas a base de agua tengan una eficiencia certificada del 12,59%; doi:10.1038/s41467-026-78233-1