Los diodos emisores de luz de perovskita (PeLED) están emergiendo como uno de los principales candidatos para liderar la próxima generación de tecnologías en iluminación y visualización. No obstante, a pesar de su rápido avance técnico, aún se carece de un entendimiento detallado de sus impactos ambientales y económicos, conocimientos cruciales para su futura comercialización.

Investigadores de la Universidad de Linköping han querido arrojar luz sobre el estado actual de esta tecnología, y han evaluado el rendimiento ambiental y económico de 18 PeLED representativos, con el propósito de identificar métodos industriales eficaces que permitan desarrollar PeLED sostenibles, considerando una perspectiva de ciclo de vida completo.

Los investigadores encontraron que los LED de perovskita exhiben un rendimiento ambiental comparable al de los LED orgánicos maduros, y que el plomo no constituye una fuente significativa de toxicidad en estos dispositivos. Para viabilizar su comercialización y mejorar su sostenibilidad, se estima que los PeLED deben alcanzar una vida útil de alrededor de 10.000 horas para equilibrar sus impactos ambientales. La evaluación tecnoeconómica proyecta que el coste de los futuros PeLED será similar al de los paneles LED orgánicos comerciales, rondando los 100 millones de dólares estadounidenses. 

Desarrollo y potencial de los LEDs de Perovskita 

La introducción de los diodos emisores de luz (LED) ha transformado radicalmente el uso de la iluminación. Estos dispositivos, que emiten luz mediante electroluminiscencia, han revolucionado tanto la eficiencia energética en iluminación como las tecnologías de visualización. Entre las diversas tecnologías LED  emergentes, los LED de perovskita (PeLED) han ganado cada vez más atención debido a sus ventajas, como un diseño ligero, flexibilidad y una amplia gama de colores.

Estos PeLED se pueden fabricar utilizando técnicas de baja energía y materiales que abundan en la tierra y actualmente han alcanzado altas eficiencias en los tres colores primarios: rojo, verde y azul. Además, la estabilidad de estos dispositivos ha experimentado mejoras significativas recientemente, consolidando su potencial para una futura comercialización.

Sin embargo, los factores ambientales, económicos y técnicos son fundamentales para la comercialización de estas tecnologías innovadoras, así como para determinar su viabilidad. Una perspectiva integral del ciclo de vida es esencial para evaluar estos factores de manera exhaustiva. Aunque se han realizado numerosos estudios sobre los impactos en el ciclo de vida de las células solares de perovskita, estos no son directamente aplicables a los LED de perovskita (PeLED) debido a diferencias fundamentales en sus mecanismos de funcionamiento: las células solares transforman la luz en electricidad, mientras que los LED hacen lo contrario. Además, el funcionamiento de los PeLED en diversas longitudes de onda implica el uso de diferentes materiales para cada color, lo que requiere análisis específicos para cada dispositivo. Por lo tanto, para avanzar hacia la comercialización sostenible de los PeLED, es necesario realizar una evaluación del ciclo de vida completa que considere todas las etapas del proceso.

Conscientes de la importancia de una evaluación integral, los investigadores han examinado la tecnología PeLED desde una perspectiva de ciclo de vida, enfocándose en la sostenibilidad para su comercialización. Este análisis incluyó el rendimiento ambiental, económico y técnico de los PeLED. A continuación detallamos las conclusiones que obtuvieron .

Análisis del ciclo de vida de los PeLED

Los resultados del análisis del ciclo de vida (LCA) de los PeLED a escala de laboratorio indican que los impactos ambientales principales provienen de los insumos de sustancias y electricidad durante la producción. La mayoría de estos impactos se asocian con la fabricación, donde el consumo de electricidad representa más del 99% del total para el montaje de dispositivos, destacando las operaciones en cámaras de gas nitrógeno y la deposición de vapor como las más intensivas en energía. En contraste, la etapa de distribución aporta menos del 5% al impacto total, y la optimización en esta fase depende más de los recursos industriales que del diseño de los PeLED.

En cuanto a la toxicidad, los estudios muestran que las tecnologías libres de plomo no necesariamente reducen los impactos ambientales; por ejemplo, la sustitución de electrodos de oro (Au) por aluminio (Al) en PeLEDs NIR reduce impactos, pero más debido al cambio de material del electrodo que a la eliminación del plomo. Además, los PeLEDs basados en cobre muestran una toxicidad ligeramente superior en comparación con los que contienen plomo debido al aumento en el uso de yoduro de cesio requerido para la síntesis.

Estos hallazgos resaltan la importancia de realizar evaluaciones completas del ciclo de vida para tecnologías emergentes y sugieren que la percepción de que el plomo es la principal fuente de toxicidad en los PeLEDs es errónea, desviando la atención de otros contaminantes críticos. A pesar de esto, los tratamientos para reducir el plomo podrían mitigar aún más los impactos de toxicidad, mostrando una reducción significativa en la toxicidad no carcinogénica humana con efectos mínimos en otras categorías de toxicidad.

Potencial de comercialización de la tecnología PeLED

Para evaluar la competitividad comercial de los PeLED, se compararon sus impactos ambientales con los de otras tecnologías comerciales, como los LEDs de nitruro de galio (GaN), las lámparas fluorescentes compactas (CFL) y diversas tecnologías de pantallas. 

Para aplicaciones de iluminación, los impactos ambientales de los PeLED son un orden de magnitud más bajos que los de los LED de GaN y las CFL. Esto se debe principalmente al alto consumo de energía requerido para el crecimiento, el corte y el pulido de cristales de GaN, así como al consumo sustancial de materia prima para la producción de CFL

Entre las tecnologías de pantalla, los PeLEDs también destacaron por su mejor desempeño ambiental en comparación con las pantallas de cristal líquido (LCD) y los LEDs de puntos cuánticos. Las pantallas de cristal líquido exhiben los impactos ambientales más altos en todas las categorías, debido principalmente al extenso uso de material en la construcción de múltiples capas gruesas. Los LED de puntos cuánticos basados en CdS también tienen impactos ambientales de uno a dos órdenes de magnitud más altos que los PeLED debido al uso extensivo de monómeros orgánicos para sintetizar puntos cuánticos.

En cuanto al coste de producción, los análisis indican que los PeLEDs tienen un potencial económico notable. Actualmente, el coste de los PeLEDs RGB a escala de laboratorio varía entre 63 y 178 dólares por metro cuadrado, mientras que los PeLEDs NIR son más caros debido al uso de electrodos de oro (388$/m2). Sin embargo, técnicas como el reciclaje de sustratos y la deposición a gran escala podrían reducir los costes de los PeLEDs RGB industriales a 38-121 dólares por metro cuadrado, lo cual es competitivo en comparación con los OLEDs.

Los investigadores apuntan: “Suponiendo que otros costes (por ejemplo, depreciación y mano de obra) sean comparables a los de los paneles OLED comerciales, se estima que el coste total de un futuro producto industrial RGB PeLED se encuentra en las cercanías de 100 dólares por m2. Aunque determinar los valores de costes precisos sigue siendo un desafío y no es el foco de este estudio, los resultados de nuestra evaluación tecnoeconómica destacan el notable potencial económico de los PeLED”. 

En definitiva este nuevo estudio, presenta una visión general completa de los impactos ambientales, los costes económicos y los posibles avances industriales de la tecnología emergente de los PeLED. Puede acceder al paper completo de la investigación a través del siguiente enlace:

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01503-7

Imagen de portada:  Muyi Zhang, estudiante de doctorado en el Departamento de Física, Química y Biología de LiU, sujetando un LED de perovskita.Créditos de imagen: Olov Planthaber