La energía fotovoltaica orgánica tiene un gran potencial para generación de energía solar rentable. Un desafío que debe superarse es el mal orden de las capas delgadas en la parte superior de los electrodos. Utilizando el autoensamblaje en atómicamente plano, sustratos transparentes, un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha diseñado monocapas ordenadas de redes moleculares con respuestas fotovoltaicas. Los hallazgos abren posibilidades intrigantes para la fabricación de abajo hacia arriba de dispositivos optoelectrónicos con precisión molecular.

La naturaleza no tiene rival en lo que respecta al autoensamblaje de complejos, maquinaria molecular de alto rendimiento para la absorción de luz, separación de excitones o cargas y transferencia de electrones. Los nanotecnólogos moleculares han soñado durante mucho tiempo con imitar arquitecturas biomoleculares tan extraordinarias y volver a cablearlas para producir electricidad económica.

Ahora investigadores de los Departamentos de Física y Química de la Universidad Técnica de Munich (TUM), del Instituto Max-Planck de Investigación de Polímeros (Mainz, Alemania) y la Université de Strasbourg (Francia) han modificado las moléculas de colorante de tal manera que les permite servir como bloques de construcción de redes moleculares autoensambladas.

En las superficies atómicamente planas de un sustrato de diamante recubierto de grafeno, las moléculas se autoensamblan en la arquitectura objetivo de una manera similar a las proteínas y la nanotecnología del ADN. La única fuerza impulsora proviene de las interacciones supramoleculares diseñadas a través de enlaces de hidrógeno. Como se esperaba, la red molecular produce una fotocorriente cuando se expone a la luz.

Del arte a la aplicación

"Durante mucho tiempo, las arquitecturas moleculares autoensambladas diseñadas fueron consideradas artísticas, "dice el PD Dr. Friedrich Esch, un autor principal del estudio. Con esta publicación presentamos por primera vez una implementación práctica seria de esta tecnología ”.

"En la energía fotovoltaica orgánica convencional, la mejora del orden molecular sigue siendo un desafío. Por el contrario, la caja de herramientas de nanotecnología nos brinda la posibilidad de un diseño atómicamente preciso de los componentes constituyentes a priori, "dice el Dr. Carlos-Andres Palma, quien co-supervisó el estudio. "La posibilidad de un control fisicoquímico completo de los componentes nos proporciona tornillos de fijación adicionales para la optimización funcional".

Los científicos ahora esperan ampliar la configuración del dispositivo y certificar la respuesta fotovoltaica en condiciones estándar. "Intercalando tintes autoensamblados entre pilas de electrodos bidimensionales como el grafeno, abre la posibilidad de escalar fácilmente a elementos monocapa fotovoltaicos eficientes ", afirma el Dr. Palma "Esto pondrá nuestro trabajo en el mapa de la tecnología de células solares".

Combinación perfecta de química y física de superficies

Los científicos utilizaron moléculas de terrylen-diimida como tintes fotoactivos. La red se forma cuando las moléculas de terrylene alargadas se unen con la melamina trivalente. Al elegir grupos laterales adecuados para la terrylene diimida, los autores del estudio determinan qué arquitecturas pueden formarse.

"Este trabajo es un excelente ejemplo de la cooperación interdisciplinaria que buscamos iniciar con la institución del Centro de Investigación de Catálisis:una combinación perfecta de química y física, "dice el profesor Ulrich Heiz, director del Centro de Investigación de Catálisis TUM.