Un equipo de científicos de la Universidad de Cambridge ha realizado un descubrimiento importante para mejorar la estabilidad y eficiencia de las células solares orgánicas.
Las células solares orgánicas son interesantes por varias razones. En primer lugar, están hechas de materiales orgánicos, que son más económicos y sostenibles que los materiales inorgánicos utilizados en las células solares convencionales.
Además, las células solares orgánicas pueden ser fabricadas mediante procesos de impresión en rollo, lo que las hace más fáciles y económicas de producir en grandes cantidades.
Otra ventaja de las células solares orgánicas es su flexibilidad, lo que las hace ideales para su uso en aplicaciones electrónicas portátiles y dispositivos electrónicos flexibles. También tienen la ventaja de que los materiales orgánicos pueden ser sintetizados en una amplia gama de colores, lo que puede ser útil para aplicaciones en las que se desea un color específico.
Esto hace que los dispositivos fotovoltaicos fabricados con semiconductores orgánicos sean una promesa para las aplicaciones de energía limpia, pero el principal inconveniente es que su eficiencia se degrada rápidamente en funcionamiento bajo la luz solar.
El hallazgo de los investigadores de Cambridge
En la actualidad, mejorar la estabilidad a largo plazo de las células solares hechas de semiconductores orgánicos se está convirtiendo en un tema cada vez más importante debido a las recientes mejoras en la eficiencia con la que estos dispositivos fotovoltaicos pueden convertir la luz solar en electricidad.
Las aplicaciones del mundo real de la tecnología exigen que la eficiencia del dispositivo fotovoltaico se mantenga durante muchos años. Sin embargo, los módulos fotovoltaicos fabricados con semiconductores orgánicos no mantienen su eficiencia durante el tiempo suficiente bajo la luz solar para aplicaciones en el mundo real.
Para abordar este problema clave, los investigadores han estudiado los mecanismos de degradación de los dos componentes utilizados en la capa de absorción de luz de las células solares orgánicas: los materiales «donante de electrones» y «aceptor de electrones».
Estos dos componentes son necesarios para dividir el par electrón-hueco unido formado después de la absorción de un fotón en los electrones libres y los huecos que constituyen la corriente eléctrica.
En este nuevo estudio publicado en Joule, los investigadores pertenecientes al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge han considerado por primera vez las vías de degradación de los materiales donantes y aceptores de electrones.
La investigación detallada del material donador de electrones distingue el trabajo de investigación actual de los estudios anteriores y proporciona nuevos conocimientos importantes para el campo.
Específicamente, la identificación de un proceso de desactivación ultrarrápido exclusivo del material donador de electrones no se había observado antes y proporciona un nuevo ángulo para considerar la degradación del material en las células solares orgánicas.
Los investigadores de Cavendish trabajaron como parte de un equipo internacional con científicos del Reino Unido, Bélgica e Italia.
(B) Las curvas de densidad-voltaje de corriente de las células solares PM6:Y6, donde la capa de BHJ se empapó de luz durante escalas de tiempo variables bajo iluminación LED blanca de intensidad de 1 sol en el aire ambiente. Las mediciones del dispositivo se realizaron bajo iluminación solar AM1.5G de 100 mW/ cm2 .
(C) Las correspondientes curvas de eficiencia cuántica externa (EQE) de las células solares PM6:Y6 envejecidas presentadas en (B).
Espectroscopia láser ultrarrápida
Juntos, combinaron estudios de estabilidad de dispositivos fotovoltaicos, donde la celda solar operativa está sujeta a una luz intensa que se asemeja mucho a la luz solar, con espectroscopia láser ultrarrápida realizada en Cambridge.
Mediante esta técnica láser, han podido identificar un nuevo mecanismo de desactivación ultrarrápido exclusivo del material donador de electrones que implica la torsión de la cadena del polímero.
El Dr. Alex Gillett, autor principal del artículo, ha señalado que «fue interesante descubrir que algo tan aparentemente menor como la torsión de una cadena de polímero podría tener un efecto tan grande en la eficiencia de la célula solar».
Este proceso es lo suficientemente rápido como para superar la generación de electrones libres y huecos a partir de un fotón.
Gracias a los hallazgos realizados en la investigación, esta acerca directamente la próxima generación de materiales y aplicaciones fotovoltaicas a la realidad.
