Nanditha Dissanayake, Matthew Eisaman, Yutong Pang, y Ahsan Ashraf muestran la configuración utilizada para rastrear el flujo de electrones a través de la capa fotoactiva de células solares orgánicas. Los cables rojo y negro en el cuadro en primer plano (también mostrado en primer plano) están conectados a una celda solar que está en contacto con un prisma. El prisma guía la luz láser a través de la celda en una variedad de direcciones específicas para obtener información precisa sobre cómo fluyen los electrones.
(Phys.org) —La luz solar absorbida por las células solares orgánicas debe primero atravesar un guante a nanoescala antes de convertirse en electricidad utilizable. Después de golpear el material absorbente de luz de la celda solar, llamada capa fotoactiva, la luz solar absorbida excita electrones, liberándolos para encontrar su camino a través de un laberinto lleno de giros, vueltas callejones sin salida, y colisiones. Solo las cargas gratuitas que logran atravesar este laberinto pueden usarse en un circuito como electricidad. Así que los científicos han estado buscando formas de aliviar el atasco de tráfico de electrones en la energía fotovoltaica orgánica.
Ahora, Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad Stony Brook han desarrollado una forma de trazar un mapa del grado de "congestión del tráfico" en las carreteras de electrones dentro de la capa fotoactiva. Su nueva técnica de medición y seguimiento utiliza modos de guía óptica, un proceso de guiar la luz a través de áreas precisas en el plano horizontal de las células solares, para ayudar a los científicos a comprender mejor cómo los materiales utilizados en las capas fotoactivas influyen en la velocidad y eficiencia del viaje de los electrones.
"Con nuestra técnica, ahora puede comprender mejor qué tan lejos se mueven los electrones a través de la compleja red de la capa fotoactiva, "dijo el físico de Brookhaven Matthew Eisaman, líder del equipo en el nuevo estudio publicado en línea en Materiales energéticos avanzados el 25 de agosto 2013. "Estudios anteriores revelaron la composición del material, pero nuestra técnica ilumina cómo esa estructura impacta el transporte de electrones ".
A diferencia de las grandes células solares basadas en silicio que normalmente se ven en los techos de las casas o en instalaciones a gran escala para generar electricidad, Las células solares orgánicas se parecen más a los plásticos flexibles. Las células orgánicas podrían encontrar aplicaciones generalizadas en la generación de energía portátil para uso comercial y militar o incluso en la llamada "energía fotovoltaica integrada en edificios". "donde las células solares se integran directamente en las ventanas, fachada, o techo de un edificio. Sus formas flexibles se pueden fabricar de forma económica utilizando a gran escala, fabricación de rollo a rollo. Pero por ahora estos materiales versátiles no son tan eficientes como las opciones inorgánicas.
Seguimiento de los cargos
Cuando la luz excita los electrones en la capa fotoactiva de las células solares orgánicas, el proceso crea un par de portadores de carga:un electrón y un "agujero, "la ausencia de un electrón donde una vez existió. Para convertirse en cargas gratuitas, los pares de electrones y huecos deben separarse, y esto ocurre en las interfaces de dos materiales que normalmente componen la capa fotoactiva, uno es un aceptor de electrones y el otro un donante de electrones.
Las capas fotoactivas más utilizadas en las células solares orgánicas se denominan heterouniones masivas (BHJ), en el que se mezclan materiales aceptores y donantes. Esto permite una absorción de luz y una extracción de carga más efectivas porque esas interfaces críticas están presentes en toda la celda.
Las porciones de aceptador de electrones y donador de electrones de la capa fotoactiva BHJ son como dos tipos diferentes de redes de carreteras dentro de la célula solar, Eisaman explicó. Los electrones viajan a lo largo del sistema de carreteras aceptores de electrones, que está hecho de moléculas de fullereno, mientras sus orificios correspondientes se mueven a través del sistema de carreteras donantes de electrones, que está hecho de un polímero semiconductor. Comprender cómo se mueven los electrones a través de la capa fotoactiva BHJ tiene el potencial de hacer que las células solares orgánicas sean más eficientes que las disponibles actualmente.
Para revelar las estructuras internas y las interacciones de estas carreteras BHJ ", "Los científicos del laboratorio de Brookhaven sondearon las células solares con luz procedente de diferentes direcciones.
"Las células solares son como panqueques, piso con una gran superficie, ", Dijo Eisaman." La luz del sol normalmente golpea la celda solar desde la parte superior y pasa a través de sus delgadas capas. A esto se le llama incidencia normal ".
Anteriormente, los científicos observarían la capa fotoactiva al hacer brillar un láser a través de la parte superior de la célula solar, similar a la luz del sol. Pero sondear las células solares con una incidencia normal es un método incompleto:la luz que brilla desde arriba tiende a tener una mayor intensidad en la parte superior de la capa fotoactiva. disminuyendo a medida que se absorbe a través del material y limitando la resolución. El nuevo método que desarrollaron Eisaman y su equipo envía luz horizontalmente a través de la energía fotovoltaica en lugar de solo desde la parte superior.
"Los modos ópticos guiados permiten un mejor control de la posición de la luz, "Dijo Eisaman." La luz se propaga dentro del plano del panqueque, proporcionando información más precisa ".
Los materiales de fullereno y polímero no se mezclan uniformemente en toda la capa fotoactiva de BHJ. En lugar de, los materiales tienden a "segregarse en fases, "con un lado rico en polímeros y el otro lado rico en fullereno. Esta segregación de fase afecta tanto la propagación de la luz como el paso de electrones y huecos a través de la capa. Usando su imagen de alta resolución de la capa fotoactiva BHJ, Luego, los científicos trazaron un mapa de cómo viajan los electrones a través de la célula solar.
"Los electrones y los agujeros son como dos marcas diferentes de automóviles que viajan por dos tipos diferentes de carreteras, "dijo Nanditha Dissanayake, autor principal del estudio. "Queremos saber en qué 'salida' aparece cada automóvil por primera vez en la autopista de células solares, y lo que sucede cuando viajan a una ciudad, o un contacto eléctrico, donde terminan las carreteras ".
El nuevo método permitió a Eisaman y su equipo excitar selectivamente regiones dentro de la capa fotoactiva BHJ para que pudieran medir, con una precisión y sencillez sin precedentes, la distancia que viajan los electrones.
"Con el método de incidencia normal, estás creando muchos coches esparcidos en algún lugar entre la salida 35 y la 50, "Dijo Eisaman." Pero con nuestra técnica de modo guiado, podemos crear coches de forma eficaz exactamente en la Salida 60. De modo que podemos observar cuántos de ellos viajaron de forma segura desde esa salida hasta el final de la carretera, trazando claramente el camino y revelando los baches, bloqueos de carreteras y accidentes ".
Dissanayake añadido, "Esta técnica le brinda una comprensión fundamental de cómo la composición dentro de una celda solar afecta la extracción de carga y la eficiencia de un dispositivo. Le brinda a las personas pautas sobre cómo formular celdas solares de alta eficiencia, no limitadas a las orgánicas, pero también otros tipos de energía fotovoltaica basada en nanomateriales ".
Los investigadores utilizaron instrumentos en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del laboratorio para fabricar las células solares y caracterizar sus propiedades materiales. También realizaron mediciones precisas sobre la segregación de fase utilizando la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS).
"Las capacidades complementarias de las nuevas técnicas optoelectrónicas que se están desarrollando en nuestro laboratorio y las instalaciones de fabricación y caracterización de materiales de clase mundial en CFN hacen de Brookhaven un lugar perfecto para realizar este trabajo, "Dijo Eisaman.
"Esta técnica es fundamental para nuestra estrategia para desarrollar capacidades nuevas y únicas para la caracterización de dispositivos fotovoltaicos, "dijo Patrick Looney, presidente del Departamento de Tecnologías de Energía Sostenible en Brookhaven Lab, donde trabaja Eisaman.
El artículo se titula "Mapeo de la probabilidad de recolección de carga resuelta espacialmente dentro de la energía fotovoltaica de heterounión a granel".
