Selección de células solares en el laboratorio de Jud Ready, ingeniero principal de investigación de GTRI. Las celdas incluyen 3D, CZTS, fotovoltaica orgánica, y silicio. Crédito:Georgia Tech / Branden Camp
Un material de energía solar que es notablemente duradero y asequible lamentablemente también es inutilizable si apenas genera electricidad. por tanto, muchos investigadores habían abandonado las tecnologías solares orgánicas emergentes. Pero últimamente, un cambio en la química subyacente ha aumentado la producción de energía, y un nuevo estudio ha revelado ajustes contrarios a la intuición que hacen que la nueva química sea exitosa.
El cambio es de "fullereno" a "no aceptadores de fullereno" (NFA), términos que se detallan a continuación, y en generación de electricidad fotovoltaica, el aceptor es una molécula con el potencial de ser para los electrones lo que un receptor es para una pelota de béisbol. Las moléculas donantes correspondientes "lanzan" electrones a los "receptores" aceptores para crear corriente eléctrica. El muy citado químico Jean-Luc Brédas del Instituto de Tecnología de Georgia ha avanzado en la tecnología y también ha dirigido el nuevo estudio.
"Los NFA son bestias complejas y hacen cosas que la tecnología solar de silicio actual no hace. Puede darles forma, hazlos semitransparentes o coloreados. Pero su gran potencial está en la posibilidad de ajustar cómo liberan y mueven electrones para generar electricidad. "dijo Brédas, profesor de Regents en la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech.
Ganando silicio
En solo los últimos cuatro años, tuning NFA chemistry ha impulsado la tecnología fotovoltaica orgánica de convertir inicialmente solo el 1% de la luz solar en electricidad al 18% de conversión en experimentos recientes. En comparación, Los módulos solares de silicio de alta calidad que ya están en el mercado convierten alrededor del 20%.
"La teoría dice que deberíamos poder alcanzar más del 25% de conversión con energía solar orgánica basada en NFA si podemos controlar la pérdida de energía por medio de la morfología". "dijo Tonghui Wang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Brédas y primer autor del estudio.
Morfología, las formas que toman las moléculas en un material, es clave para la mayor eficiencia de la tecnología solar NFA, pero cómo funciona eso a nivel molecular ha sido un misterio. El nuevo estudio modeló cuidadosamente pequeños ajustes a las formas moleculares y calculó la conversión de energía correspondiente en un emparejamiento común de donante / aceptor de electrones NFA.
Un no intuitivo, Un minúsculo ajuste químico permite que dos componentes moleculares encajen entre sí de una manera que impulsa la conversión de luz en electricidad. El componente amarillo se ha modificado. Está compuesto por un aceptor que no es de fullereno (NFA), que recibe electrones del componente azul, un donante de electrones. Gracias al mismo ajuste químico, los dos componentes moleculares también están bien empaquetados en el material para facilitar la conducción de electrones a los electrodos vecinos (no mostrados). Crédito:Georgia Tech / Breda lab / Tonghui Wang
La mejora del rendimiento no se debió a ajustes en la mano metafórica del receptor ni a la mano de lanzamiento del donante, sino a algo parecido a las posiciones de los pies del receptor. Algunas posiciones alinearon mejor el "cuerpo" del aceptor con el del donante de electrones.
Los "pies" eran un componente diminuto, un grupo metoxi, en el aceptador, y dos de las cuatro posiciones posibles que tomó impulsaron la conversión de luz en electricidad del 6% al 12%. Brédas y Wang publicaron su estudio, Células solares orgánicas basadas en aceptores de moléculas pequeñas no fullerenos:impacto de la posición del sustituyente , el 20 de noviembre 2019, en el diario Importar . La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval.
(El par químico donante / aceptor fue PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, o -4, con -2 y -3 mostrando una generación de electricidad superior. Consulte la cita en la parte inferior para obtener un nombre químico completo).
Células de silicio torpes
Las células solares comercializables basadas en NFA podrían tener muchas ventajas sobre el silicio, que requiere la extracción de grava de cuarzo, fundiéndolo como hierro, purificándolo como el acero, luego cortándola y mecanizándola. Por el contrario, Las células solares orgánicas comienzan como solventes económicos que pueden imprimirse en superficies.
Las células de silicio suelen ser rígidas y pesadas y se debilitan con el calor y la tensión ligera. mientras que las células solares basadas en NFA son ligeras, flexible, y resistente al estrés. También tienen propiedades fotoeléctricas más complejas. En capas fotoactivas basadas en NFA, cuando los fotones excitan a los electrones fuera de las órbitas externas de las moléculas donantes, los electrones bailan alrededor de los agujeros de electrones que han creado, configurándolos para una transferencia personalizada a los aceptadores.
"El silicio saca un electrón de la órbita cuando los fotones lo excitan más allá de un umbral. Está encendido o apagado; se obtiene un electrón de conducción o no se obtiene un electrón de conducción, "dijo Brédas, quien también es Vasser Woolley Chair in Molecular Design en Georgia Tech. "Los NFA son más sutiles. Un donante de electrones extiende un electrón, y el aceptor de electrones lo arrastra. La capacidad de ajustar la morfología hace que la transferencia de electrones sea sintonizable ".
El material fotovoltaico orgánico tiene dos componentes moleculares, se muestra aquí en azul y amarillo. La molécula azul es un donante de electrones, y la molécula amarilla es un aceptor (de electrones) no fullereno (NFA). El modelado en un nuevo estudio ha demostrado que un ajuste minúsculo a la NFA aumenta drásticamente la tasa de conversión de luz en electricidad. Crédito:Georgia Tech / Bredas lab / Tonghui Wang
No es un fullereno
Como dice el nombre los aceptores no fullerenos no son fullerenos, que son moléculas de carbono puro con estructuras geométricas bastante uniformes de elementos pentagonales o hexagonales repetidos. Nanotubos, grafeno y el hollín son ejemplos de fullerenos, que llevan el nombre del arquitecto Buckminster Fuller, quien fue famoso por diseñar cúpulas geodésicas.
Los fullerenos tienen una estructura molecular y una capacidad de sintonización más estriados que los no fullerenos, que están más libremente diseñados para ser flexibles y flexibles. Los donantes y aceptadores basados en NFA pueden envolverse unos con otros como remolinos precisos de masa de chocolate y vainilla en un pastel Bundt, dándoles ventajas más allá de la donación y aceptación de electrones, como un mejor empaquetamiento molecular en un material.
"Otro punto es cómo las moléculas aceptoras están conectadas entre sí para que el electrón aceptado tenga una ruta conductora hacia un electrodo, "Brédas dijo." Y va por los donantes, también."
Como en cualquier celda solar, los electrones de conducción necesitan una salida del material fotovoltaico hacia un electrodo, y tiene que haber un camino de retorno al electrodo opuesto para que los electrones que llegan llenen los huecos que los electrones que salen dejaron atrás.
Citas de gran impacto
Los elogios de Brédas son numerosos, pero ha llamado especialmente la atención por su puntuación del índice h de Google Académico, un cálculo del impacto de las publicaciones de un investigador. La puntuación actual de Breda de 146 probablemente lo ubica entre los 700 investigadores publicados con mayor impacto en la historia global moderna.
Ha sido un líder particularmente destacado en la investigación fotoeléctrica y de semiconductores basada en química orgánica práctica y asequible.
