¡La eficiencia de conversión de energía de las células solares flexibles ha mejorado significativamente!

Recientemente, investigadores del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT) de la Academia de Ciencias de China realizaron mejoras en los materiales utilizados en las células solares orgánicas ternarias (TOSC), logrando niveles de eficiencia similares a los de las células solares tradicionales. Esta investigación fue publicada en la revista "Advanced Materials". Las células solares fotovoltaicas orgánicas (OSC) son un tipo de célula solar que convierte la luz solar en electricidad utilizando materiales orgánicos, normalmente moléculas pequeñas o polímeros, a diferencia de las células solares inorgánicas tradicionales que utilizan silicio cristalino u otros materiales inorgánicos.

Una de las principales ventajas de las células solares orgánicas es su versatilidad y ligereza. Se pueden producir a costos más bajos utilizando técnicas basadas en soluciones como la impresión por inyección de tinta, lo que permite rollos flexibles en lugar de paneles rígidos. Como resultado, encuentran aplicaciones en diversos campos, como sensores, cargadores portátiles y dispositivos electrónicos portátiles. Los OSC también pueden ser semitransparentes o de colores, lo que los hace estéticamente agradables y adecuados para su integración en edificios, ventanas y otras estructuras.

Sin embargo, en comparación con las células solares inorgánicas, las células solares orgánicas tienen menores eficiencias de conversión de energía (PCE), que TOSC pretende mejorar. Las células solares orgánicas binarias estándar constan de un material donante y un material aceptor, pero TOSC es diferente ya que incluye un tercer componente conocido como material "invitado".

La inclusión de este componente invitado es crucial para mejorar varios aspectos del rendimiento de las células solares, como alterar el flujo de energía interno de la célula y optimizar la forma en que la célula convierte la luz en electricidad. El componente invitado es especialmente importante para aumentar el PCE, ya que puede ampliar el espectro de luz que puede absorber la célula solar. Seleccionando materiales invitados que absorban luz en áreas no cubiertas por los materiales donantes o aceptores, se puede mejorar la capacidad general de absorción de luz de la celda. También permite ajustar la morfología de la película mixta, lo que afecta la disociación de excitones, la generación de carga y el transporte.

Dado que los componentes invitados pueden realizar múltiples actividades diferentes, su ubicación precisa dentro del "sándwich" o matriz de la célula solar afecta significativamente el rendimiento. Hay tres posiciones posibles para el componente huésped: incrustado dentro del material donante, incrustado dentro del material aceptor o disperso en la interfaz entre el donante y el aceptor, creando estructuras mixtas similares a aleaciones (agregados). Sin embargo, hasta hace poco, ha habido relativamente poca consideración experimental sobre la posición del componente invitado.

En su investigación, los científicos utilizaron en TOSC un componente invitado llamado LA1, que se diferencia de otros materiales de componentes invitados en términos de cristalinidad. LA1 es un aceptor de molécula pequeña y los investigadores lo modificaron con una cadena lateral de fenilalquilo, un grupo funcional comúnmente utilizado en materiales orgánicos para sistemas fotovoltaicos.

La modificación de LA1 para incluir cadenas laterales de fenilalquilo aumentó tanto la cristalinidad como la alineación manteniendo una compatibilidad suficiente, lo que resultó en un rendimiento TOSC mejorado.

Además, los investigadores controlaron la distribución del componente huésped cambiando variables que influyen en la interacción entre el huésped y el huésped, como la compatibilidad huésped/huésped, la energía superficial, la cinética cristalina y las interacciones intermoleculares. Encontraron agregados similares a aleaciones en la mayoría de las moléculas huésped, que se infiltraron y difundieron por toda la matriz huésped.

El tamaño de los cristalitos de estas "aleaciones" integradas de anfitrión/huésped podría ajustarse fácilmente para mejorar la transferencia de carga y suprimir la recombinación de carga, lo que resulta en un aumento inicial del PCE de más del 15%. Posteriormente, al combinar el componente invitado con los aceptadores de la serie Y6 como componente principal, lograron un aumento de eficiencia aún mayor, de más del 19 %.

Los investigadores creen que han logrado un éxito experimental significativo, pero en el futuro será necesario comprender mejor los factores subyacentes que impulsan estas ventajas. Esperan obtener una visión más profunda de estos sistemas fundamentales.

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