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TECNOLOGÍA. Células solares de plástico (OPV): la búsqueda por maximizar la eficiencia

 


No solo piense que los plásticos son aislantes. Se ganaron dos premios Nobel al demostrar que pueden ser semiconductores . Esa célebre investigación abrió la puerta a las celdas solares basadas en polímerosSe fabrican en un laboratorio a partir de elementos comunes , utilizando procesos establecidos hace décadas para artículos domésticos comunes como envoltorios de plástico . Un avance en la estrategia de diseño liderado por NREL ahora ha creado una celda solar fotovoltaica orgánica (OPV) con una eficiencia récord de conversión de energía del 18.07%.Eso no está muy lejos de las células convencionales basadas en silicio. El desafío de la investigación, como suele ser el caso, es optimizar los resultados cuando el cambio de las características de un componente a nivel molecular afecta negativamente el rendimiento de otro. A medida que la energía solar ocupa un lugar central, se necesitarán diseños de células nuevos y más baratos. Las OPV tienen un aspecto prometedor, sobre todo porque en forma líquida se pueden rociar sobre superficies rígidas o flexibles , lo que significa que los módulos OPV podrían imprimirse de la misma manera que los periódicos. También son reciclables .

El científico investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) Bryon Larson , como parte de un equipo de investigación internacional, ha logrado una eficiencia récord de conversión de energía del 18,07% a partir de una célula solar fotovoltaica orgánica (OPV), o como estos materiales son más conocidos: plásticoHistóricamente, las celdas OPV han mejorado principalmente a través de un proceso iterativo. Sin embargo, Larson y sus colaboradores han dado con una nueva estrategia de diseño que mejora simultáneamente el voltaje de circuito abierto de la celda, el voltaje de cortocircuito y el factor de llenado.

La mejora simultánea de estas tres métricas primarias, que representan la eficiencia con la que una célula solar convierte la luz solar en electricidad, es difícil debido a las limitaciones tradicionales de usar solo dos componentes para crear la mezcla binaria de donante-receptor en la capa absorbente de luz de una celda OPV. Cambiar un solo componente para mejorar una métrica puede afectar negativamente a otro, dando lugar a compensaciones en el rendimiento .

Optimización de cuatro parámetros

"El nombre del juego para el avance de la OPV son nuevos materiales", dijo Larson. “Pero debido a la forma en que funcionan las OPV, cada vez que introduce un nuevo material en la mezcla de absorbentes, debe volver a optimizar todo lo relacionado con el diseño de la celdaEs un proceso desordenado y que requiere mucho tiempo, como tratar de encontrar una aguja en un pajar. Nuestra estrategia demuestra un enfoque cuaternario de cuatro componentes en el que cada componente trabaja en sinergia para evitar compensaciones de rendimiento y producir una alta eficiencia de conversión de energía ".

La capa absorbente en una celda OPV es responsable de la absorción de luz, la división del excitón para generar cargas positivas y negativas y el transporte efectivo de cargas a los contactos para producir fotocorriente. El diseño de una celda OPV tradicional lucha por equilibrar las características electrónicas y morfológicas de solo dos conjuntos de moléculas o polímeros para todas estas funciones.

Larson, en colaboración con investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y la Universidad de Massachusetts Amherst , demostró que el uso de cuatro componentes en la capa activa de un dispositivo OPV podría equilibrar mejor la microestructura y la función electrónica de la capa absorbente de la celdaEsta estrategia holística se describe en el   artículo de Nature Communications " Energía fotovoltaica orgánica de una sola capa con vías de transporte de carga en cascada doble: 18% de eficiencia ".

Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) utilizan un proceso único para convertir la luz solar en electricidad. Este gráfico muestra una sección transversal de un dispositivo OPV que tiene una capa activa de solo 100 nanómetros de espesor y explica la física operativa básica que es exclusiva de la OPV. Su factor de forma flexible y de bajo costo podría permitir nuevas aplicaciones para la energía solar . / Imagen de Bryon Larson, NREL

Las mezclas cuaternarias mejoran la eficiencia de conversión de energía

El artículo de investigación describe numerosas estrategias para optimizar la absorción de luz, el transporte de portadores y los niveles de energía del estado de transferencia de carga cuando se consideran las estructuras químicas y las propiedades del estado excitado de los componentes donantes y aceptores adicionales. A nivel molecular, cada uno de los cuatro componentes tiene propiedades eléctricas, de absorción y de transporte únicas que pueden contribuir a lograr la configuración óptima de la OPV .

La mezcla de donante-receptor cuaternario hace posible la alineación del nivel de energía en cascada doble en la capa activa, lo que permite una división de excitones eficiente y una vida útil prolongada del portador . El segundo componente donante genera canales de salto de carga en cascada que permiten la manipulación de múltiples vías de transferencia de carga para maximizar el transporte de portadores y reducir la recombinación . El segundo componente aceptor mejora el transporte de electrones y promueve la eficiencia de extracciónLa estructura electrónica y la morfología de cada uno de los cuatro componentes de la mezcla de mezcla cuaternaria se ajustan mediante un diseño molecular para maximizar la absorción de luz, la división de excitones y la extracción de portadores., mejorando en última instancia la eficiencia de conversión de energía en dispositivos OPV.

En el desarrollo de dispositivos OPV, NREL está logrando avances en materiales, deposición y procesamiento de materiales y fabricación de dispositivos en condiciones de temperatura y presión ambientales.


El potencial de la energía fotovoltaica orgánica

Los materiales OPV son semiconductores compuestos de elementos orgánicos comunes como carbono, hidrógeno, nitrógeno, flúor, oxígeno y azufreSon moléculas y polímeros artificiales que se pueden sintetizar en un laboratorio de químicaEstos 'plásticos' no tóxicos incluso pueden reciclarse fácilmente para convertirlos en sus componentes básicos. Sus materias primas son baratas, infinitamente abundantes y los procesos de fabricación para su creación se han utilizado durante décadas en industrias que fabrican artículos para el hogar como envoltorios de plástico y Tupperware .

"Todo el mundo piensa en los plásticos como aislantes, pero tener un dispositivo electrónico basado en polímeros que actúe como semiconductor, abrió un mundo de nuevas opciones".

Las mezclas de OPV se manipulan en forma líquida y se rocían o se recubren sobre superficies rígidas o flexibles, lo que significa que los módulos de OPV se pueden imprimir de la misma manera que los periódicos . El número de aplicaciones potenciales es amplio, sin embargo, las OPV solo se han investigado intensamente desde principios de la década de 2000, después de que una molécula relativamente nueva llamada fullereno (su descubrimiento llevó a un Premio Nobel de Química en 1996) se incorporó como el componente aceptor en las células de la OPV.  Un segundo premio Nobel en 2000 reconoció el descubrimiento y desarrollo de polímeros conductores .

Obtenga más información sobre  la investigación de OPV de NREL .

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