Una célula solar y un LED realizan procesos físicos opuestos. La primera absorbe fotones y genera cargas eléctricas; el segundo recibe cargas eléctricas y produce fotones. En teoría, un mismo semiconductor puede operar de ambas formas. Sin embargo, trasladar esta reciprocidad a un dispositivo eficiente ha resultado complejo, ya que las arquitecturas utilizadas para captar luz suelen ser poco adecuadas para emitirla hacia el exterior.

Una investigación publicada en Joule plantea una solución a este problema mediante una nueva estructura basada en perovskitas de haluro metálico y nanopartículas porosas de óxido de aluminio. El dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión fotovoltaica estabilizada y certificada del 26,7%, que constituyó un récord mundial para células de perovskita durante el periodo comprendido entre mayo de 2024 y febrero de 2025. Cuando se hizo funcionar como diodo emisor de luz, obtuvo una eficiencia cuántica externa próxima al 31%.

El trabajo ha sido desarrollado por un equipo internacional dirigido por Michael McGehee, de la Universidad de Colorado Boulder, y Jixian Xu, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Sus resultados demuestran que es posible combinar en un mismo dispositivo policristalino un rendimiento fotovoltaico superior al 26% y una eficiencia LED por encima del 30%, sin recurrir a arquitecturas independientes para cada función.

El conflicto entre absorción y emisión

Las perovskitas de haluro metálico se consideran materiales prometedores para células solares y LED por su elevada eficiencia, su fabricación potencialmente económica y la posibilidad de ajustar las longitudes de onda que absorben o emiten.

Sin embargo, ambas aplicaciones requieren estructuras distintas. Un LED de perovskita suele emplear una capa muy fina, de unos 50 nanómetros, que facilita la salida de la luz. Una célula solar necesita una película mucho más gruesa para absorber suficiente radiación.

El dispositivo desarrollado utiliza una capa de perovskita de 800 nanómetros, unas dieciséis veces más gruesa que la habitual en un LED. Este espesor favorece la captación solar, pero dificulta que los fotones generados en el interior puedan salir.

Parte de esa luz queda atrapada por reflexión interna y termina siendo absorbida por defectos microscópicos, transformándose en calor. Para evitarlo, los investigadores necesitaban mejorar simultáneamente la extracción de luz y la calidad electrónica del material.

Islas porosas que redirigen la luz

La solución consiste en introducir pequeñas islas porosas formadas por nanopartículas de óxido de aluminio, o alúmina, dentro de la estructura del dispositivo.

Estas agrupaciones tienen aproximadamente cinco micrómetros de ancho y medio micrómetro de altura. Su función es modificar la trayectoria de los fotones.

Cuando el dispositivo trabaja como célula solar, las islas dispersan la radiación incidente y aumentan su recorrido dentro de la perovskita, mejorando su absorción. Cuando funciona como LED, redirigen hacia el exterior parte de la luz que normalmente quedaría atrapada.

La porosidad permite que la perovskita crezca a través de las islas y mantenga el contacto con el electrodo inferior. De esta forma, la estructura mejora la gestión óptica sin bloquear el transporte de las cargas eléctricas.

Ensamblaje electrostático y reducción de defectos

Las islas se fabrican mediante ensamblaje electrostático. Los investigadores prepararon dos grupos de nanopartículas de alúmina con cargas superficiales opuestas. Al mezclarlas, las partículas se atraen y forman agrupaciones porosas similares a pequeñas esponjas.

Una población fue tratada con Me-4PACz, que aporta carga negativa, y la otra con ODA, que proporciona carga positiva. El material resultante se denomina e-Al₂O₃.

Estas moléculas también pasivan la superficie de la perovskita, neutralizando defectos que provocan pérdidas de energía. La velocidad de recombinación superficial se redujo desde 20,2 centímetros por segundo en el dispositivo plano de referencia hasta 1,4 centímetros por segundo en la nueva arquitectura.

Esta reducción evita que electrones y huecos se recombinen sin generar electricidad ni luz. También permite aprovechar mejor el reciclaje de fotones. Cuando un fotón queda atrapado, puede ser reabsorbido y emitido nuevamente. Si el material contiene pocos defectos, este proceso le proporciona nuevas oportunidades para encontrar una ruta de salida. Las islas de alúmina ayudan a redirigir esos fotones reciclados hacia el exterior.

Alta eficiencia y mayor estabilidad

Operado como célula solar, el dispositivo alcanzó una eficiencia estabilizada y certificada del 26,7%. Este resultado fue récord mundial para una célula de perovskita entre mayo de 2024 y febrero de 2025.

Utilizando la misma capa de 800 nanómetros como LED, obtuvo una eficiencia cuántica externa cercana al 31%. Esto significa que alrededor de 31 de cada 100 electrones inyectados generaron un fotón que consiguió salir del dispositivo.

La radiancia fue casi diez veces superior a la del dispositivo plano utilizado como referencia.

La nueva estructura también mejoró la estabilidad. Después de 1.200 horas de funcionamiento continuo como célula solar, conservaba el 95% de su eficiencia inicial, frente al 67% registrado por la célula plana de control.

Según los investigadores, es la segunda vez que un único dispositivo supera simultáneamente el 26% de eficiencia fotovoltaica y el 30% de eficiencia LED. El único precedente se había logrado con arseniuro de galio monocristalino, un material más caro y difícil de fabricar a gran escala.

Futuros desarrollos

Esta tecnología podría utilizarse para desarrollar pantallas que generen electricidad a partir de la luz ambiental cuando no estén emitiendo imágenes. La energía obtenida podría compensar una parte del consumo y contribuir a ampliar la autonomía de los dispositivos.

La misma idea podría aplicarse a sistemas de iluminación, sensores y equipos de comunicación óptica capaces de alternar entre la absorción y la emisión de luz.

El estudio demuestra que la separación entre células solares y LED no responde a una limitación inevitable de las perovskitas. Mediante una arquitectura que controla al mismo tiempo la propagación de la luz, el transporte eléctrico y los defectos del material, un único dispositivo puede desempeñar ambas funciones con eficiencias elevadas.

Puede acceder al paper completo de la investigación a través de siguiente enlace:

http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2026.102389

Fuente de imágenes: “Passivated porous light-management structure resolves emission-photovoltaic trade-off in thick perovskite diodes”, Joule A Cell Press Journal, 2026