Los científicos de TU Dresden y la Universidad Hasselt en Bélgica investigaron las causas físicas que limitan la eficiencia de las nuevas células solares basadas en materiales moleculares orgánicos. En la actualidad, el voltaje de estas celdas es todavía demasiado bajo, una de las razones de sus eficiencias aún relativamente bajas.

En su estudio, investigando las vibraciones de las moléculas en las películas delgadas, los científicos pudieron demostrar que los efectos cuánticos muy fundamentales, las llamadas vibraciones de punto cero, puede hacer una contribución significativa a las pérdidas de voltaje. El estudio ahora se ha publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Las células solares son un punto de cristalización de grandes esperanzas para la necesaria transformación de la producción energética global. Energía fotovoltaica orgánica (OPV), que se basa en orgánicos, es decir, materiales a base de carbono, podría ser ideal para convertirse en un pilar importante en la combinación energética de las "renovables" porque tienen un mejor balance ecológico en comparación con los módulos convencionales a base de silicio y solo se requiere una pequeña cantidad de material para producir las películas delgadas. Sin embargo, es necesario un mayor aumento de la eficiencia. Se basa en varios valores característicos como la tensión en circuito abierto, cuyos valores demasiado bajos son actualmente una de las principales razones de las eficiencias todavía bastante moderadas de la OPV.

El estudio investigó las razones físicas de esto, incluidas las vibraciones de las moléculas en las películas delgadas. Se demostró que las llamadas vibraciones de punto cero, un efecto de la física cuántica que caracteriza el movimiento a temperatura absoluta cero, pueden tener una influencia significativa en las pérdidas de voltaje. Se demostró una relación directa entre las propiedades moleculares y las propiedades del dispositivo macroscópico. Los resultados proporcionan información importante para el desarrollo y la mejora de nuevos materiales orgánicos.

El borde de baja energía de los espectros de absorción óptica es crucial para el rendimiento de las células solares, pero en el caso de las células solares orgánicas con muchos factores que influyen, aún no se comprende bien. En el presente estudio, Se investigó el origen microscópico de las bandas de absorción en los sistemas de mezcla molecular y su papel en las células solares orgánicas. La atención se centró en la dependencia de la temperatura de las características de absorción, que se investigó teóricamente teniendo en cuenta las vibraciones moleculares. Las simulaciones coincidieron muy bien con los espectros de absorción medidos experimentalmente, lo que conduce a una serie de hallazgos importantes.

Los autores descubrieron que las vibraciones de punto cero, mediada por la interacción electrón-fonón, causar un ancho de banda de absorción considerable. Esto conduce a la reemisión de una parte de la energía que no se utiliza y, por lo tanto, reduce la tensión en circuito abierto. Estas pérdidas de voltaje ahora se pueden predecir a partir de parámetros moleculares electrónicos y vibrónicos. Lo que es inusual es que este efecto es fuerte incluso a temperatura ambiente y puede reducir significativamente la eficiencia de la célula solar orgánica. Los autores están discutiendo qué estrategias para reducir estas pérdidas de voltaje inducidas por vibraciones podrían aplicarse para un mayor número de sistemas y diferentes geometrías de heterouniones.