Investigadores liderados por Cambridge han identificado un mecanismo clave responsable de la menor eficiencia de las células solares orgánicas y también una forma de superar este obstáculo.
En concreto, se ha reconocido una vía de pérdida en las células solares orgánicas que las hace menos eficientes que las células basadas en silicio para convertir la luz solar en electricidad. Además, el estudio ha ideado una forma de suprimir esta vía mediante la manipulación de moléculas dentro de la célula solar para evitar la pérdida de corriente eléctrica a través de un estado indeseable, conocido como excitón en estado triplete.
Sus resultados, publicados en la revista Nature, sugieren que las células solares orgánicas podrían competir más estrechamente con las células basadas en silicio por su eficiencia.
Las células solares orgánicas, que son flexibles, semitransparentes y baratas, pueden ampliar enormemente la gama de aplicaciones de la tecnología solar. Se pueden envolver alrededor del exterior de los edificios y se pueden utilizar para el reciclaje eficiente de la energía utilizada para la iluminación interior, ninguna de las cuales es posible con los paneles de silicio convencionales. También son mucho más ecológicos de producir.
«Las células solares orgánicas pueden hacer muchas cosas que las células solares inorgánicas no pueden hacer, pero su desarrollo comercial se ha estancado en los últimos años, en parte debido a su menor eficiencia», dijo en un comunicado el doctor Alexander Gillett, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, primer autor del artículo. «Una célula solar típica basada en silicio puede alcanzar eficiencias de hasta el 20 al 25%, mientras que las células solares orgánicas pueden alcanzar eficiencias de alrededor del 19% en condiciones de laboratorio y eficiencias en el mundo real de alrededor del 10 al 12%».
Las células solares orgánicas generan electricidad imitando vagamente el proceso natural de la fotosíntesis en las plantas, excepto que, en última instancia, utilizan la energía del sol para crear electricidad en lugar de convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa. Cuando una partícula de luz, o fotón, golpea una célula solar, la luz excita un electrón y deja un «agujero» en la estructura electrónica del material. La combinación de este electrón excitado y el agujero se conoce como excitón. Si se puede superar la atracción mutua entre el electrón cargado negativamente y el agujero cargado positivamente en el excitón, similar a la atracción entre los polos positivo y negativo de un imán, es posible recolectar estos electrones y agujeros como una corriente eléctrica.
Sin embargo, los electrones en las células solares se pueden perder a través de un proceso llamado recombinación, donde los electrones pierden su energía, o estado de excitación, y vuelven al estado de «agujero» vacío. Como hay una atracción más fuerte entre el electrón y el agujero en los materiales a base de carbono que en el silicio, las células solares orgánicas son más propensas a la recombinación, lo que a su vez afecta su eficiencia. Esto requiere el uso de dos componentes para evitar que el electrón y el agujero se recombinen rápidamente: un material «donante» de electrones y un material «aceptor» de electrones.
Usando una combinación de espectroscopia y modelado por computadora, los investigadores pudieron rastrear los mecanismos que funcionan en las células solares orgánicas, desde la absorción de fotones hasta la recombinación. Descubrieron que un mecanismo de pérdida clave en las células solares orgánicas es causado por la recombinación con un tipo particular de excitón, conocido como excitón triplete.
En las células solares orgánicas, los excitones tripletes presentan un problema difícil de superar, ya que es energéticamente favorable que se formen a partir de electrones y huecos. Los investigadores descubrieron que mediante la ingeniería de interacciones moleculares fuertes entre el donante de electrones y los materiales aceptores de electrones, es posible mantener el electrón y el agujero más separados, evitando que se produzca la recombinación en excitones en estado triplete.
El modelado computacional sugiere que al ajustar los componentes de las células solares orgánicas de esta manera, las escalas de tiempo de recombinación a estos estados de excitón triplete podrían reducirse en un orden de magnitud, permitiendo un funcionamiento más eficiente de las células solares.
«El hecho de que podamos utilizar las interacciones entre los componentes de una célula solar para desactivar la vía de pérdida de excitones en estado triplete fue realmente sorprendente», dijo Gillett. «Nuestro método muestra cómo se pueden manipular las moléculas para evitar que se produzca la recombinación».
Los investigadores dicen que su método proporciona una estrategia clara para lograr células solares orgánicas con eficiencias del 20% o más al detener la recombinación en estados de excitón triplete. Como parte de su estudio, los autores también pudieron proporcionar reglas de diseño para los materiales donantes y aceptores de electrones para lograr este objetivo. Creen que estas pautas permitirán a los grupos de química diseñar nuevos materiales que bloqueen la recombinación en excitones en estado triplete, permitiendo que se realicen células solares orgánicas con eficiencias más cercanas al silicio.
