Los investigadores han aumentado la eficiencia de las células solares orgánicas ternarias mediante la introducción de un componente «invitado». Esta modificación permite una mejor absorción de la luz solar y un funcionamiento optimizado de las células solares. A través del posicionamiento estratégico y la modificación de este componente invitado, lograron ganancias en la eficiencia de conversión de energía de más del 19 %.
Recientemente, los científicos han modificado el material de las células solares orgánicas ternarias (TOSC) y han logrado eficiencias al alcance de sus primas de células solares convencionales.
Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Advanced Materials. El estudio fue dirigido por investigadores del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT) de la Academia de Ciencias de China (CAS).
Células solares orgánicas frente a células solares orgánicas inorgánico
Las células solares fotovoltaicas orgánicas (OSC) son un tipo de células solares que utilizan materiales orgánicos, normalmente compuestos de pequeñas moléculas o polímeros, para convertir la luz solar en electricidad, a diferencia de las células solares inorgánicas tradicionales, que utilizan silicio cristalino u otros materiales inorgánicos.
Una de las principales ventajas de los OSC es su flexibilidad y ligereza. Se pueden fabricar de forma económica en rollos flexibles en lugar de paneles rígidos (utilizando procesos basados en soluciones, como la impresión por inyección de tinta), lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, como sensores, cargadores portátiles o dispositivos electrónicos portátiles. Los OSC también pueden diseñarse para que sean semitransparentes o en varios colores, lo que permite integraciones estéticas en edificios, ventanas u otras estructuras.
Sin embargo, las OSC tienen una eficiencia de conversión de energía (PCE) más baja que las células solares inorgánicas. Los TOSC han cambiado la situación hasta cierto punto. A diferencia de las células solares orgánicas binarias tradicionales, que constan de un material donante y un material aceptor, los TOSC incluyen un tercer componente adicional, a menudo denominado «invitado». Este componente invitado se introduce para optimizar varios aspectos del funcionamiento de la célula solar, desde ajustar los flujos de energía internos de la célula hasta mejorar la forma en que la célula convierte la luz en energía.
Ilustración de agregaciones de ‘liga’ de anfitrión/invitado integradas en la capa activa del componente ternario. Crédito: LI Yonghai
Función del componente «Invitado»
De particular interés para las ganancias de PCE, el componente invitado también puede ampliar el espectro de luz que se puede absorber. Al seleccionar un material huésped que absorba la luz en un rango no cubierto por el donante o el aceptor, se puede aumentar la absorción general de luz solar por parte de la célula. Mientras tanto, se puede ajustar la morfología de la película de mezcla, donde se produce la disociación de excitones, la generación de carga y el transporte.
Dadas las muchas funciones diferentes que puede desempeñar el componente invitado, su ubicación específica dentro del ‘sándwich’ o conjunto de células solares puede alterar radicalmente el rendimiento. «Dependiendo de su ubicación, el componente huésped puede transferir energía a la velocidad de la luz o ayudar a capturar más luz solar», dijo el coautor del estudio LI Yonghai.
Hay tres posibilidades de ubicación diferentes: incrustado en el material donante, incrustado en el material aceptor o disperso de alguna manera entre la interfaz donante y aceptor, formando estructuras mixtas similares a aleaciones (agregaciones). Pero hasta ahora se ha prestado muy poca atención a jugar con la ubicación de los componentes invitados.
Detalles y hallazgos del experimento.
En su estudio, los investigadores utilizaron un componente invitado llamado LA1 (que se diferencia de otros materiales de componentes invitados con respecto a su cristalinidad) en TOSC. LA1 es un aceptor de molécula pequeña que los investigadores modificaron con cadenas laterales de fenilalquilo, un grupo funcional (colecciones de átomos dentro de moléculas que tienen su propio conjunto de propiedades) que se usa comúnmente en el diseño de materiales orgánicos para su uso en dispositivos fotovoltaicos. LA1 se modificó con la cadena lateral de fenilalquilo para mejorar su cristalinidad y alineación manteniendo al mismo tiempo una compatibilidad satisfactoria, mejorando a su vez su rendimiento TOSC.
Además, los investigadores regularon la distribución de su componente huésped jugando con varias condiciones que gobiernan la interacción con los componentes del huésped, incluida la compatibilidad huésped/huésped, la energía superficial, la cinética del cristal y las interacciones intermoleculares. Al hacerlo, encontraron agregaciones similares a aleaciones en la mayoría de las moléculas huésped, que también permearon y se dispersaron en las moléculas huésped.
Sorprendentemente, el tamaño cristalino de estas ‘aleaciones’ huésped/huésped incrustadas se puede ajustar fácilmente para mejorar el transporte de carga eléctrica y la recombinación de carga suprimida. Como resultado, los investigadores pudieron inicialmente lograr ganancias de PCE de más del 15 % y luego, al combinar su componente invitado con la familia aceptora Y6 como componente anfitrión, lograron ganancias de eficiencia aún mayores, de más del 19 %.
Los investigadores creen que han logrado un éxito experimental considerable, pero las fuerzas impulsoras de estos avances siguen siendo menos comprendidas teóricamente. En el futuro, los investigadores esperan aclarar aún más estos mecanismos subyacentes.
Referencia: “Las agregaciones de aleaciones integradas de host/invitado permiten energía fotovoltaica orgánica ternaria de alto rendimiento” por Xiaoning Wang, Jianxiao Wang, Pengchao Wang, Chenyu Han, Fuzhen Bi, Junjie Wang, Nan Zheng, Cheng Sun, Yonghai Li y Xichang Bao, 31 Julio de 2023, Materiales Avanzados.
DOI: 10.1002/adma.202305652
