Low cost, efficient, hybrid solar cells

Resumen

Actualmente, existen diversas estrategias para producir energía limpia mediante fuentes renovables, pero es la explotación directa de la energía del Sol la que se presenta como una solución ideal, siendo la mayor fuente de energía verde en la Tierra. La potencia de la energía solar que llega a la Tierra cada año es del orden de 86000 TW (Terawatt, 1012 Watt). Esto representa 4800 veces la demanda energética anual del mundo, estimada en 18 TW. Además, todos los depósitos de energía fósil reconocidos (petróleo, carbón y gas) contienen todos juntos tan sólo una cantidad de energía equivalente a la recibida del Sol durante 56 días. Esta situación muestra claramente la necesidad de aprovechar esta gran reserva de energía limpia con el fin de satisfacer la creciente demanda energética del planeta. Las tecnologías fotovoltáicas (FV), que convierten la energía del Sol directamente en electricidad, han sido desarrolladas desde hace muchos años. Al fin del año 2009, la capacidad FV instalada en el mundo fue mayor que 23 GW. En 2012, los 100 GW fueron alcanzados, y hacia el final de 2015 se instalaron 227 GW de FV a nivel global. Esta es una cantidad capaz de producir al menos 300 terawatts hora (TWh) de electricidad cada año, siendo un indicativo de la impresionante evolución de esta tecnología. El silicio cristalino es la principal tecnología FV que domina el mercado (87%). Sin embargo, la prevaleciente tecnología FV basada en silicio presenta inherentes desventajas que impiden la deseada inclusión de la energía solar en la vida cotidiana. Esta tecnología tan sólo puede ser implementada en forma de paneles rígidos, de gran área y con un coste relativamente alto, lo que limita su aplicación principalmente a granjas solares de nivel industrial y a tejados de edificios. Una alternativa es la tecnología de películas delgadas, la cual se basa en la deposición de capas extremadamente finas de materiales fotosensibles sobre sustratos de bajo coste como vidrio, acero inoxidable o plástico. Las células solares de películas delgadas basadas en silicio y otros semiconductores inorgánicos (como por ejemplo los CIGS, CdTe), muestran una eficiencia de conversión de energía alta (PCEs), mayores a 20 %. Sin embargo, sufren de un costo de producción relativamente alto debido a las condiciones de procesamiento de las mismas. Este hecho motivó el desarrollo de nuevos tipos de células FVs, con potencial para reducir los costes de fabricación, siendo la fotovoltaica orgánica (FVO) el mejor ejemplo. Los dispositivos de FVO incorporan pequeñas moléculas orgánicas semiconductoras (basadas en carbono) o polímeros para convertir la energía solar incidente en electricidad. Estas tecnologías difieren significativamente de los dispositivos FVs inorgánicos en su principio de funcionamiento, como así mismo en sus métodos de producción. La FVO está basada en capas orgánicas delgadas con grosores del orden de decenas a centenas de nanómetros, pudiendo ser fabricadas mediante impresión, evaporación en vacío o mediante técnicas compatibles con roll-to-roll. Estas estrategias de producción tienen el potencial para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos en masa y a bajo coste, lo que representa un contraste importante con respecto a la fotovoltaica basada en silicio cristalino la cual conlleva asociada un alto coste y un elevado consumo energético. La FVO puede ser fácilmente integrada en dispositivos electrónicos, incluso en textiles y otros elementos estructurales flexibles debido a sus métodos de producción. Una ventaja intrínseca que los semiconductores orgánicos ofrecen es que a través de ingeniería molecular es posible sintetizar materiales orgánicos con propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas deseadas. Desde finales de los años ochenta, las eficiencias de las células solares orgánicas han ido creciendo constantemente desde menos de un 1 % hasta alrededor del 11 % hacia finales del 2015. La continua mejora en eficiencia ha sido principalmente motivada por un entendimiento más profundo de las principios físicos que gobiernan el funcionamiento de estas células, como así mismo al desarrollo de nuevas arquitecturas moleculares para una mayor eficiencia de conversión y a la optimización de las nanoestructuras y su procesamiento. Las continuas mejoras en funcionamiento y la demostración del potencial de fabricación en grandes cantidades han posicionado a las FVO como un contendiente serio en lo que se refiere a las soluciones energética FVs del futuro. La idea de utilizar moléculas orgánicas como materiales absorbentes de luz proviene de la simple observación de los sistemas fotosintéticos presentes en las plantas, los cuales usan sistemas moleculares para el almacenamiento de la luz y su conversión en energía química útil. Los primeros experimentos a comienzos del año 1958, consistieron en la incorporación de colorantes orgánicos bioinspirados como porfirinas, ftalocianinas, merocianinas o clorofilas, entre dos capas metálicas con una función de trabajo alta. Estas primeras células solares no excedieron eficiencias del 1 %. Una importante contribución fue introducida para Ching W. en 1968 mediante la publicación de un trabajo en el que se describía un diseño de dos capas exhibiendo una eficiencia de conversión de energía de alrededor del 1%. Las propiedades fotovoltaicas de este dispositivo estaban determinadas por la interfaz entre dos materiales orgánicos evaporados térmicamente, uno de ellos absorbiendo luz y generando un estado excitado como donante de electrones y el otro actuando como un aceptor capaz de atraer los electrones fotoexcitados. Este principio de operación basada en la transferencia de carga fotoinducida entre donante y aceptor es el mecanismo fundamental presente en todas las subsecuentes células solares orgánicas. El diagrama correspondiente a la formación de un excitón y el proceso de extracción de carga común en todas las células solares orgánicas y ejemplos de laboratorio de células solares flexibles se halla representado en la figura 1 de esta tesis. El siguiente desarrollo importante en el campo de la FVO tuvo lugar en 1992, cuando Sariciftci et al. descubrieron la transferencia de carga altamente eficiente entre un polímero semiconductor y un fullereno de tipo Buckminster (C60), siendo este último el más prominente aceptor de electrones empleado actualmente en el campo de la FVO. Este avance sentó las bases para la fabricación en grandes cantidades de células solares orgánicas mediante procesos basados en disolución (tales como roll-to-roll). El fullereno C60 puede ser evaporado térmicamente para la fabricación de células solares basadas en procesos en vacío. Por otro lado, para su procesamiento en disolución, el C60 debe ser derivatizado debido a su baja solubilidad. El más popular de estos derivados es el PCBM ([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester). Estas dos estrategias de procesamiento representan así mismo la demonstración seminal de los dos tipos de tecnologías FVOs más exitosas en la actualidad: células solares orgánicas evaporadas en vacío y células solares orgánicas de tipo fullereno-polímero preparadas mediante procesos en disolución. 1.1 Colorantes basados en cianinas como donantes en FVO Los colorantes basados en cianinas son una clase interesante de materiales para aplicaciones en FV, principalmente debido a su alto coeficiente de absorción y a su bajo coste. Estos sistemas no son nuevos para la industria, puesto que fueron utilizados y siguen aplicándose hasta la fecha para incrementar el rango de sensibilidad de emulsiones fotográficas y como absorbentes en soportes CD-R y DVD-R, proveyendo sus colores azules y verdes característicos. Recientemente, estos colorantes encontraron aplicación en biotecnología (etiquetado, análisis) y en dispositivos opto-electrónicos. En los colorantes basados en cianinas, las transiciones ópticas ocurren típicamente en el rango de pocos eV, solapándose adecuadamente con el espectro solar. El ancho de banda del espectro de absorción de las cianinas es menor en comparación con los semiconductores inorgánicos (figura 2 de esta tesis doctoral). Aunque una banda de absorción estrecha es una desventaja en términos de almacenamiento de flujo solar, múltiples absorbentes apilados y conectados en serie pueden ser diseñados para expandir el rango de absorción. Los niveles de energía de las cianinas pueden ser fácilmente modificados mediante la elección de la longitud del puente de polimetino, puesto que su bandgap puede ser disminuido mediante el incremento del número de enlaces doble, desplazando así la absorción hacia longitudes de onda más largas. Aparte de sus excelentes coeficientes de absorción, los colorantes basados en cianinas tienen conductividades decentes permitiendo el transporte de carga en las capas orgánicas. Sus conductividades electrónicas provienen de una carga deslocalizada en el puente de polimetino entre dos átomos de nitrógeno (ilustrado en la figura 3 de esta tesis doctoral). Los portadores de carga se desplazan mediante un mecanismo de hopping entre estados localizados. Las movilidades de estos portadores de carga son por tanto bajas, con valores típicos menores a 10-5 cm2/Vs. Esta baja movilidad de los portadores de carga establece una limitación en el grosor de las capas activas que pueden ser utilizadas en una célula solar, debido a una mayor pérdida por recombinación al incrementar dichos grosores. Es particularmente interesante que las cianinas son conductores iónicos intrínsecos en términos de conductividad. Cada molécula de colorante basado en cianina es acompañada por un contra ion móvil. Estos iones puede difundirse, por ejemplo, hacia las capas adyacentes construyendo así un importante espacio de carga capaz de alterar los niveles de energía en las hetero-uniones. En este contexto, los dispositivos basados en una arquitectura plana y simple son la mejor plataforma para investigar y entender los mecanismos de funcionamiento de este tipo de sistemas. En estas arquitecturas, huecos y electrones son separados espacialmente reduciendo al mínimo la probabilidad de recombinación en el dispositivo. Mientras que las células de Tang fueron preparadas mediante métodos de evaporación, los colorantes basados en cianinas son sales que no pueden ser evaporadas. Por otro lado, las capas preparadas mediante deposición desde disolución tales como spin-coating no garantizan una uniformidad suficiente para la creación de interfaces bicapa de alta calidad. El estrés inducido por las fuerzas de rotación generan una uniformidad pobre en los bordes de las muestras, con un impacto directo en la uniformidad del grosor de las capas. Adicionalmente, una alta cantidad de disolución precursora sobre el sustrato y las fuerzas de cizalladura pueden alterar la planaridad de las interfaces fabricadas. El primer objetivo de esta tesis doctoral fue el desarrollo de una técnica de recubrimiento desde disolución, a escala de laboratorio, para la fabricación de bicapas de alta calidad, denominada técnica de recubrimiento de menisco. El recubrimiento de menisco puede ser una alternativa atractiva al método de spin-coating por numerosas razones. En primer lugar, debido al uso de cantidades extremadamente pequeñas de disolución precursora. Además, esta técnica garantiza una escalabilidad directa de los resultados obtenidos en el laboratorio mediante el empleo de slot-die coaters industriales, como así mismo una buena uniformidad de las capas orgánicas en grandes áreas. En particular, presenta una serie de características interesantes para el sector académico que no son proporcionadas por el método de spin-coating tradicional. Un ejemplo de ello es el control que puede ser alcanzado en el gradiente de grosores de las muestras. A pesar de todas estas ventajas, hay pocos trabajos publicados empleando la técnica de recubrimiento de menisco en electrónica orgánica. El acceso a la teoría de esta interesante técnica se encuentra limitada en comparación con otras tecnologías de recubrimiento más ampliamente desarrolladas. La implementación de esta técnica fue extremadamente exitosa para la deposición de materiales de bajo peso molecular ( tales como el [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) ), generando dispositivos con un funcionamiento superior en comparación con aquellos preparados mediante la técnica de spin-coating. El recubrimiento por menisco fue implementado exitosamente en varias células solares con bicapas de alta calidad de aceptores basados en fullerenos y donantes basados en colorantes de cianina. El control sobre el espacio de carga iónico permite la regulación del flujo de carga electrónica y la implementación de funcionalidades únicas en dispositivos opto-electrónicos orgánicos. Por lo tanto, el segundo objetivo de esta tesis doctoral, fue el estudio de la influencia de los iones en el funcionamiento de las células solares basadas en cianinas. Fue demostrado que los iones móviles tienen un gran impacto en la energética de las células solares. 1.2 Perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas Mientras que la FVO puede presentar ventajas en lo que se refiere a su costo, abriendo así un amplio rango de excitantes posibilidades (tales como variedad de colores o semi-transparencia), también tiene desventajas tales como su pobre estabilidad térmica y mecánica. Adicionalmente, mientras que el transporte eléctrico en materiales orgánicos ha mejorado en los últimos veinte años, la movilidad se encuentra fundamentalmente limitada por las débiles interacciones de van der Waals entre las moléculas orgánicas ( en contraposición con las más intensas fuerzas iónicas y covalentes halladas en los sistemas inorgánicos extendidos). Además, nuevamente debido a la limitada extensión de los orbitales en las moléculas orgánicas, la energía de unión de los excitones es mayor que la energía térmica, lo que conlleva que sólo puedan disociarse en cargas libres en una interfaz donante-aceptor. Dicha interfaz donante-aceptor requiere un offset en la energía de los niveles de los orbitales de estas moléculas lo que consume parte de la energía potencial disponible en el sistema. Por contra, debido a sus orbitales o bandas extendidas, los semiconductores inorgánicos tienen una menor energía de unión en los excitones, en comparación con la energía térmica a temperatura ambiente, lo que supone que pueden ser fácilmente disociados en cargas libres manteniendo una energía potencial alta. Por lo tanto, las eficiencias halladas en la FVO son significativamente menores en comparación con las células inorgánicas. Lo que parece ser una solución ideal es un material que combine la robustez y la alta eficiencia de las células solares inorgánicas con el fácil procesamiento y bajo coste de producción de los materiales orgánicos. Algo que parecía poco probable de suceder, se hizo recientemente realidad con el redescubrimiento de las perovskitas basadas en haluros como importantes absorbentes en células solares. Las perovskitas híbridas orgánica-inorgánicas ofrecen una combinación inusual de buena solubilidad en un rango amplio de disolventes polares comunes con unas características semiconductoras apropiadas. En los últimos tres años, el funcionamiento de las células basadas en perovskita ha mejorado rápidamente hasta alcanzar eficiencias tan altas como 22.1 %, siendo reportada recientemente por el Korea Reseach Institute of Chemical Technology (KRICT) en colaboración con la Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). En este contexto, otro resultado muy importante en el campo fue publicado por el grupo del profesor M. Grätzel de la EPFL (Suiza), en el cual se mostraron células con una eficiencia de conversión de energía solar a electricidad (PCE) de hasta 21.1 % con un nivel de reproducibilidad record. Dichas células fueron fabricadas mediante una arquitectura n-i-p empleando una formulación de perovskita basada en la mezcla de cationes. Las propiedades únicas de las perovskitas basadas en haluros provienen de la combinación de constituyentes orgánicos e inorgánicos en un solo sistema, en forma de un composite a escala molecular. Esta característica en las perovskitas híbridas permite superar las limitaciones cuando los dos tipos de materiales son utilizados por separado. Por ejemplo, los materiales inorgánicos (típicamente caracterizados por interacciones iónicas y covalentes) ofrecen el potencial para una movilidad electrónica alta, un amplio rango de band gaps, una sustancial resistencia mecánica y una estabilidad térmica remarcable. Por otra parte, las moléculas orgánicas que generalmente interactúan a través de interacciones más débiles (puentes de hidrógeno e interacciones de Van der Waals), proporcionando la posibilidad de una diversidad estructural, altos coeficientes de absorción en los rangos de longitud de onda del visible, propiedades mecánicas plásticas y bajas temperaturas de procesamiento. En las pervoskitas basadas en haluros, todos estos aspectos son combinados en un solo material híbrido que durante su deposición (por ejemplo mediante spin-coating o co-evaporación) forman sistemas cristalinos auto-ensamblados. Los cristales tienen la ventaja adicional de que pueden ser caracterizados estructuralmente mediante difracción de rayos X (DRX) , dando la posibilidad de correlacionar las características estructurales con unas propiedades específicas en el material. Por lo tanto, las medidas de DRX son una herramienta muy útil para el desarrollo y optimización de estos materiales. Las perovskitas basadas en haluros no son materiales nuevos en el campo de la opto-electrónica. A finales de los años noventa, fueron extensivamente estudiadas en los laboratorios de IBM por David Mitzi como un material activo para diodos y transistores. Sin embargo, debido a su inestabilidad frente a la humedad no fueron consideradas como materiales viables para FV. En células solares fueron utilizadas relativamente tarde, en 2009. Un grupo japonés, liderado por el Prof. Miyasaka, fue el primero en emplear perovskitas basadas en CH3NH3PbI3 desde disolución, como un sensibilizador en estructuras mesoscópicas de dióxido de titanio (TiO2) en arquitecturas DSSC, alcanzando una PCE de 3.8%. Desafortunadamente, estas células sufrían de importantes problemas de estabilidad. El electrolito líquido (empleado como transportador de huecos), actuaba disolviendo la perovskita y produciendo así una rápida degradación de las células. Tres años más tarde, la eficiencia de las células solares basadas en perovskita fueron dramáticamente mejoradas por el grupo del Prof. Kanatzidis. En sus trabajos emplearon una perovskita basada en estaño (CsSnI3) en sustitución del electrolito líquido. Este trabajo supuso el primer ejemplo de una arquitectura DSSC sólida estable, con eficiencias mayores al 10%. Un gran avance tuvo lugar poco después cuando el equipo de la Universidad de Oxford liderado por el Prof. Henry Snaith, inspirándose en el trabajo del Prof. Miyasaka, reemplazó en electrolito líquido por un polímero sólido (spiro-OMeTAD), eliminando la causa de la rápida degradación de las células de perovskita de Miyasaka. Adicionalmente, el concepto de haluros mezclados (combinando iones de ioduro y cloruro) fue empleado por primera vez, incrementando la formación de las capas y la estabilidad del material bajo iluminación constante. Las células fueron preparadas completamente a partir de métodos de disolución, alcanzando eficiencias de alrededor del 10 % en uno de los primeros intentos. La perovskita basada en plomo CH3NH3PbI3 no requirió dopaje (como en las células de Kanatizidis) y demostraron ser un excelente conductor de electrones. Este resultado supuso un tremendo éxito, lo que atrajo la atención de la comunidad científica hacia la investigación de este tipo de células solares. Con respecto a la preparación de este material, las perovskitas laminadas son fácilmente preparadas mediante spin-coating desde disolución debido a su solubilidad en disolventes orgánicos convencionales tales como gamma-butirolacton (GBL) o dimetilformamida (DMF), entre otros. Mediante spin-coating desde disolución, es posible la preparación de capas delgadas de perovskitas laminadas con buenas propiedades ópticas y ordenación estructural. Esta excelente procesabilidad ha sido empleada para la fabricación de capas delgadas de perovskita de alta calidad aplicables en electrónica y dispositivos ópticos. Sin embargo, la técnica de spin-coating presenta dificultades a la hora de ofrecer un control preciso en el grosor de las capas como así mismo en su morfología. Además, esta técnica no es compatible con estrategias basadas en procesos en seco para la fabricación de capas semiconductoras y dispositivos en condiciones de vacío. Por tanto, el tercer objetivo de esta tesis doctoral fue el desarrollo de una estrategia para la preparación de capas de perovskita, proveyendo no sólo un control preciso en el grosor de las mismas sino también exhibiendo una buena compatibilidad con un procesado en vacío. En el contexto de esta tesis, el trabajo se enfocó en el desarrollo de un método de crecimiento auto-organizado de capas de perovskita laminadas, denotado como método de deposición en vacío. La co-evaporación de diferentes precursores fue empleada con el fin de obtener capas delgadas de perovskitas del tipo CH3NH3PbI3 (MAPI). Esta técnica es por ejemplo utilizada ampliamente en la fabricación de pantallas OLED y en FVO, donde las capas activas consisten de más de un componente (Alq3 y NPB como ejemplos). En la técnica de co-evaporación, el grosor de la capa puede ser modificado desde unos pocos nanómetros hasta un micrómetro con una precisión del orden de 5 nm, siendo preciso la utilización de condiciones de alto vacío. Otra ventaja del proceso de evaporación con respecto al procesado desde disolución es la capacidad de preparar capas multi-apiladas de películas delgadas en grandes áreas. El proceso de evaporación dual de perovskita es compatible con un procesado seco, como el empleado en la preparación de películas semiconductoras y dispositivos en vacío. Aunque finalmente una célula de multi-unión formada íntegramente por perovskita debería ser accesible, las células solares basadas en perovskita han alcanzado actualmente funcionamientos que son suficientes para incrementar las eficiencias absolutas de células de silicio altamente cristalino y aquellas basadas en (di)selenurio de indio y galio. Adicionalmente, debido a que la deposición desde vapor de las capas de perovskita es totalmente compatible con métodos de procesamiento convencionales para la fabricación de células solares de silicio, la infraestructura necesaria para la escalabilidad de este proceso ya se encuentra disponible. Además, el alineamiento del bad gap en perovskitas híbridas proporciona una oportunidad para fabricar células en tándem de perovskita/silicio y perovskita/CIGS con eficiencias mejoradas. En este sentido, la co-evaporación puede potencialmente permitir la fabricación de este tipo de dispositivos en un sólo proceso, en base al hecho de que la deposición en vacío es comúnmente utilizada en el campo de las tecnologías fotovoltaicas con capas delgadas. La co-evaporación de perovskitas híbridas orgánica-inorgánicas fue extensivamente estudiada y desarrollada, desembocando en la formación de películas altamente reproducibles, cristalinas y compactas. El uso de esta técnica permitió la preparación de dispositivos en grandes áreas, logro que fue descrito por la revista Nature Photonics como “ un significativo milestone en la investigación de la fotovoltaica basada en perovskita”. Aunque pueden ser potencialmente ligeros y flexibles, hasta la fecha la mayoría de las células solares altamente eficientes basadas en este material hacen uso de una capa compacta de TiO2, la cual requiere de procesos de sinterización con altas temperaturas (alrededor de 500 ºC). Este hecho se traduce en un proceso de fabricación más complejo que excluye las aplicaciones que hacen uso de sustratos flexibles. Como consecuencia, estrategias de producción tales como el roll-to-roll (R2R) resultan irrealizables, siendo este método una de las potenciales ventajas e interés en términos de la transferencia de esta tecnología al ámbito industrial. Adicionalmente, el empleo de TiO2 estaría fuertemente ligado a la aparición de efectos de histéresis, uno de los principales problemas de las células solares basadas en perovskita. Considerando todo esto, el objetivo final de esta tesis doctoral fue el desarrollo de una arquitectura de dispositivo basado en perovskita libre de óxido, el cual no muestre histéresis y sea compatible con sustratos flexibles. Capas de pervoskita fueron intercaladas entre dos transportadores de carga delgados, poliarilamina (poly-TPD, material tipo-p) y [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM, material tipo-n). Esta novedosa arquitectura libre de óxido presenta eficiencias tan altas como los dispositivos estándar basados en TiO2. Debido a que el proceso de fabricación no requiere de altas temperaturas de sinterización es totalmente compatible con el empleo de sustratos flexibles. Una excelente calidad en las capas de perovskita y la eliminación de la capa de óxido conllevan una desaparición del efecto de histéresis. La combinación de un excelente control en las capas y una reproducibilidad alta presente en una arquitectura simple permitió diversos estudios de interés, entre los que se pueden citar: • Influencia de diferentes materiales transportadores de electrones y de huecos en el funcionamiento de los dispositivos, • Comparación de electrodos con diferentes funciones de trabajo, • Efecto del grosor de la capa de perovskita, • Eficiencia radiativa de las células de perovskita. Fue así mismo posible la descripción de los efectos sobre la eficiencia de la célula asociados a un incremento del área activa. Este trabajo desembocó en la producción de una patente de aplicación ( nr EP13183813), como así mismo a la publicación de numerosos artículos y contribuciones a conferencias internacionales. 1.3 Outlook En vista de las bajas eficiencias obtenidas en células basadas en cianias (en comparaciñon con aquellas basadas en perovskita), es posible predecir que este tipo de sistemas no llegarán a desempeñar un rol importante dentro del sector energético. Sin embargo, los estudios en este tipo de células tales como los movimientos iónicos dentro del dispositivo o el posible origen de la forma en s de las curvas de medida, pueden ser directamente transferibles al campo de las perovskitas. En general un incremento tan elevado de las eficiencias en células solares de perovskita no hubiera sido posible sin los estudio previos llevados a cabo en células orgánicas y del tipo DSSC. Todo lo desarrollado durante décadas para las células orgánicas y DSSC, aceleró significativamente el proceso de evolución de las células de perovskita. No es una coincidencia que la línea asociada a las perovskitas en la gráfica del NREL sea casi una continuación de la asociada a células orgánicas y DSSC. Tanto la síntesis como el estudio de diferentes materiales transportadores de carga, así mismo como el desarrollo y descripción de los mecanismos de transporte de carga para este tipo de dispositivos, fueron transferidos al campo de las perovskitas, resultando en la obtención de eficiencias récord mayores al 20% en tan sólo pocos años. Este ejemplo muestra claramente que existe todavía un nicho (y una necesidad) para el estudio de nuevos materiales como los colorantes basados en cianina y su correspondiente desempeño en células solares orgánicas. El conocimiento adquirido en estos sistemas simples puede ser más tarde empleado para un mejor entendimiento de sistemas más complejos tales como los basados en perovskita. Si bien se posicionan como clara candidata para revolucionar el campo de la FV, la tecnología basada en perovskita se encuentra limitada esencialmente por dos factores, que requieren de una mayor dosis de esfuerzo en investigación, antes de que pueda ser aplicada en el mercado: estabilidad y contenido en plomo. La perovskita más comúnmente utilizada con fórmula CH3NH3PbI3 presenta una tendencia a descomponerse bajo exposición a la humedad, en ioduro de plomo y ioduro de metialmonio principalmente, perdiendo las propiedades opto-electrónicas. Adicionalmente, dicha degradación es acelerada por la exposición a la luz y al oxígeno, como así mismo al tratamiento térmico. Los problemas relacionados con la degradación de las perovskitas y la estabilidad de las células basadas en las mismas deben de ser urgentemente abordados con el fin de obtener largos tiempos de vida con altas eficiencias, que garanticen la transferencia de esta tecnología desde el laboratorio a la industria. Una de las estrategias prometedoras para subsanar este problema es la basada en el diseño composicional de las perovskitas. Recientemente, formulaciones con mezclas de cationes empleando formamidina (FA) y cesio (Cs) mostraron mejoras prometedoras en este campo. El catión de formamidina, debido a su mayor tamaño comparado con el metilamonio, y al combinarse con un elemento inorgánico como el cesio desembocaron en la mejora significativa de las estabilidades frente a luz y humedad de las capas. Células solares empleando la formulación Cs0.05 (MA0.17 FA0.83)0.95 Pb(I0.83Br0.17)3 alcanzaron una PCE estable del 21.1 % con una excelente estabilidad a largo plazo operando durante 250 horas. Por otro lado, la estabilidad de la perovskita puede ser garantizada mediante la encapsulación. Introduciendo una capa adicional con propiedades de barrera (por ejemplo Al2O3) puede efectivamente protegerse las capas de perovskita sensibles a la humedad, extendiendo el tiempo de vida de los dispositivos. En lo que se refiere al bajo coste de la tecnología, este punto es cuestionable si una estabilidad de larga duración es requerida. Sin embargo, tras su uso estos dispositivos baratos pueden ser reemplazados por otros nuevos. En este sentido, el impacto en el medioambiente se establece como una de las mayores limitaciones. La perovskita MAPI contiene una fracción significativa de plomo, correspondiendo a alrededor de 0.35 g/m2 para capas con un grosor de 300 nm. Mediante unos apropiados procesos de sellado y reciclaje tras la vida útil, módulos solares basados en este material son previsibles. Ha sido demostrado que el plomo proveniente de dispositivos degradados puede ser recuperado y empleado en la producción de nuevas células solares basadas de perovskita. Otra solución posible para subsanar esta problemática es el reemplazo del Pb, siendo esta opción la más deseado con diferencia. De hecho, el empleo de perovskitas con Pb es problemático bajo la actual legislación de la UE, pudiendo ser este un factor limitante en la futura comercialización y aceptación pública de este producto. Algunas pruebas han sido llevadas a cabo para la fabricación de dispositivos libres de plomo. La primera prueba de reemplazamiento de plomo en perovskitas fue llevado a cabo con estaño (Sn). Los dispositivos basados en esta estrategia alcanzaron eficiencias de alrededor del 5.73 %. Sin ambargo, la perovskita basada en estaño es altamente inestable debido a la tendencia del Sn2+ a oxidarse en Sn4+. Otra desventaja de esta estrategia es el hecho de que los compuestos de estaño no son tampoco inertes para la salud humana, presentado niveles similares de toxicidad. Mientras la mayoría de la comunidad está enfocada en el contenido de plomo, existe otro aspecto igualmente importante. La producción de materiales de perovskita en grandes áreas requerirá de una tecnología basada en disolución con el fin de ser viable para su comercialización. El procesamiento en disolución actual emplea disolventes que no son ecológicos que muestran un potencial peligro para la salud humana como el DMF o tóxicos como los basados en clorinas. En este sentido, su utilización a gran escala se encuentra simplemente excluido.