Células solares orgánicas logran un 21% de eficiencia con nuevo proceso

Actualmente, la mayoría de las células solares disponibles en el mercado están basadas en silicio. Sin embargo, los ingenieros energéticos han comenzado a evaluar el rendimiento de alternativas basadas en otros materiales fotovoltaicos. Entre estas opciones se encuentran las llamadas células solares orgánicas (OSCs), que son células ligeras y flexibles compuestas por materiales semiconductores orgánicos.

El funcionamiento de las OSCs depende de una capa activa, que consiste en una estructura formada por dos tipos diferentes de materiales, conocidos como donantes y aceptores. Ambos materiales absorben la luz solar y generan excitones que se disocian en electrones y huecos en la interfaz entre los materiales donantes y aceptores. Posteriormente, los huecos son transportados a través de los materiales donantes, mientras que los aceptores transportan electrones y facilitan su flujo a través del dispositivo para generar electricidad.

A diferencia de las células solares convencionales basadas en silicio, las OSCs tienen el potencial de ser más flexibles, ligeras, asequibles y fáciles de personalizar para diferentes aplicaciones, como cambiando su color o transparencia. Sin embargo, la eficiencia con la que convierten la energía solar en electricidad sigue siendo significativamente inferior a la de los fotovoltaicos (PVs) comerciales.

Una estrategia prometedora para aumentar la eficiencia de las OSCs es utilizar una clase de materiales aceptores conocidos como aceptores no fullerén (NFAs). Desafortunadamente, las moléculas orgánicas en estos materiales han demostrado ser difíciles de cristalizar en las estructuras uniformes que permitirían obtener los aumentos de eficiencia deseados.

Investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong, la Universidad de Sichuan y otros institutos, han introducido recientemente un nuevo proceso de cristalización en dos pasos que podría generar NFAs más uniformes. Utilizando este enfoque, que se detalla en un artículo publicado en Nature Energy, lograron obtener materiales aceptores de alta calidad que mejoraron significativamente la eficiencia de las OSCs.

El profesor Gang Li, autor principal del artículo, afirmó: "La capa activa de las OSCs, compuesta por una mezcla de materiales donantes (D) y aceptores (A), así como la disposición a nanoescala de las moléculas de donantes y aceptores en la capa activa (morfología), son clave para aumentar la eficiencia del dispositivo, aunque sigue siendo un desafío."

En este trabajo, el profesor Li presentó el acenafeneno (AP) como un agente regulador de la cristalización para manipular la dinámica de cristalización de las NFAs. La capa activa de las OSCs resultantes presentó un apilamiento altamente orientado de las moléculas de NFA, con manchas de Bragg bien definidas. Se logró una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 21% (certificada en 20.5%) con un factor de llenado máximo del 83.2% (certificado en 82.2%).

Hace dos décadas, el profesor Li publicó un estudio en Nature Materials, donde informó un nuevo enfoque para mejorar la morfología de las OSCs. En dicho trabajo, demostró que la autoorganización de las moléculas del polímero podía aumentar significativamente la cristalinidad de la capa activa de polímero-fullereno en las OSCs, incrementando su eficiencia.

Construyendo sobre este descubrimiento, se propuso identificar estrategias prometedoras que mejoraran la cristalización de la capa activa en las OSCs, lo que llevó a su estudio más reciente, realizado en colaboración con investigadores de varios institutos de China.

El profesor Li explicó: "En este trabajo, utilizamos el método de capa por capa para depositar el donante y el aceptor, formando fases bi-continuas para lograr la ideal separación de fases vertical en la capa activa. El agente regulador de cristalización—acenafeneno—es clave para manipular la dinámica de cristalización de la capa NFA sobre la película de donante de polímero, resultando en un orden de capa activa con un nivel prácticamente cristalino."

Para evaluar el potencial de su nuevo proceso de cristalización, los investigadores monitorearon la formación de aceptores orgánicos en película delgada utilizando técnicas variadas. Además, tuvieron en cuenta un método computacional basado en mecánica cuántica (es decir, realizando cálculos de teoría funcional) para simular las interacciones entre moléculas y el agente regulador que utilizaron.

El profesor Li aseguró: "Confirmamos que el acenafeneno induce una cristalización en dos pasos con una cristalización retardada sostenida que permite una NFA cristalina de alta calidad y una morfología optimizada en OSCs." Esta estrategia ha demostrado ser muy efectiva en varios sistemas de materiales OSC de última generación.

La estrategia de deposición asistida por el agente regulador implementada por los investigadores permitió la realización de NFAs uniformes, los cuales fueron integrados en OSCs binarias. Se encontró que estas células solares alcanzaban eficiencias de hasta un 21%, lo cual es notable para las OSCs, aunque todavía no llega a los niveles de las células solares de silicio.

El profesor Li agregó: "La alta eficiencia y estabilidad son requisitos clave para nuevas células solares como las OSC. Una vez satisfechas estas condiciones, la tecnología OSC podría facilitar nuevas y mejores aplicaciones solares, incluyendo aplicaciones fotovoltaicas semitransparentes, personalizables, ligeras y flexibles."

"Ahora seguiremos trabajando en mejorar el rendimiento de las OSC—eficiencia y estabilidad. También exploraremos un diseño estético y flexible, junto con técnicas de fabricación escalables, e intentaremos integrar estas celdas con otros tipos de dispositivos para aplicaciones en el mundo real, como ventanas de energía inteligente."