En un avance que podría resultar barato, omnipresente energía solar más cercana a la realidad, Investigadores de la Universidad de Michigan han encontrado una manera de hacer que los electrones viajen mucho más lejos de lo que se creía posible en los materiales que se utilizan a menudo para las células solares orgánicas y otros semiconductores orgánicos.

"Durante años, la gente había tratado la mala conductividad de los orgánicos como un hecho inevitable, y esto demuestra que no siempre es así, "dijo Stephen Forrest, el Profesor Distinguido de Ingeniería de la Universidad Peter A. Franken y el Profesor Paul G. Goebel de Ingeniería en la U-M, quien dirigió la investigación.

A diferencia de las células solares inorgánicas ampliamente utilizadas en la actualidad, los productos orgánicos se pueden fabricar de forma económica, materiales flexibles a base de carbono como el plástico. Los fabricantes podrían producir rollos de ellos en una variedad de colores y configuraciones, para ser laminado discretamente en casi cualquier superficie.

La conductividad notoriamente pobre de los orgánicos, sin embargo, ha ralentizado la investigación. Forrest cree que este descubrimiento podría cambiar el juego. Los hallazgos se detallan en un estudio publicado el 17 de enero en Naturaleza .

El equipo demostró que una fina capa de moléculas de fullereno, las curiosas moléculas redondas de carbono también llamadas Buckyballs, pueden permitir que los electrones viajen hasta varios centímetros desde el punto en el que un fotón los suelta. Eso es un aumento dramático; en las células orgánicas de hoy, los electrones pueden viajar solo unos pocos cientos de nanómetros o menos.

Electrones pasando de un átomo a otro, Componga la corriente eléctrica en una celda solar o un componente electrónico. Materiales como el silicio, utilizado en las células solares inorgánicas de hoy y otros semiconductores, tienen redes atómicas estrechamente unidas que facilitan que los electrones viajen a través del material.

Pero los materiales orgánicos tienen enlaces mucho más flojos entre moléculas individuales, que puede atrapar electrones. Este ha sido durante mucho tiempo un talón de Aquiles de los orgánicos, pero el nuevo descubrimiento muestra que es posible modificar sus propiedades conductoras para aplicaciones específicas.

La capacidad de hacer que los electrones se muevan más libremente en semiconductores orgánicos podría tener implicaciones de gran alcance. Por ejemplo, la superficie de las células solares orgánicas actuales debe estar cubierta con un electrodo conductor que recolecta electrones en el punto donde se generan inicialmente. Pero los electrones que se mueven libremente se pueden recolectar lejos de su punto de origen. Esto podría permitir a los fabricantes encoger el electrodo conductor en una rejilla invisible, allanando el camino para celdas transparentes que podrían usarse en ventanas y otras superficies.

"Este descubrimiento esencialmente nos da una nueva perilla para girar mientras diseñamos células solares orgánicas y otros dispositivos semiconductores orgánicos, "dijo Quinn Burlingame, un investigador graduado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la UM y autor del estudio. "La posibilidad de transporte de electrones de largo alcance abre muchas posibilidades nuevas en la arquitectura de dispositivos".

Burlingame dice que el descubrimiento inicial del fenómeno se produjo como una especie de accidente, ya que el equipo estaba experimentando con la arquitectura de células solares orgánicas con la esperanza de aumentar la eficiencia. Usando una técnica común llamada evaporación térmica al vacío, formaron una capa delgada de fullerenos C60, cada uno compuesto por 60 átomos de carbono, encima de la capa de producción de energía de una célula orgánica, donde los fotones de la luz solar eliminan los electrones de sus moléculas asociadas. Sobre los fullerenos, ponen otra capa para evitar que se escapen los electrones.

Descubrieron algo que nunca antes habían visto en un orgánico:los electrones se deslizaban sin restricciones a través del material, incluso fuera del área de generación de energía de la celda. A través de meses de experimentación, determinaron que la capa de fullereno formó lo que se conoce como un pozo de energía, un área de baja energía que evita que los electrones cargados negativamente se recombinen con las cargas positivas que quedan en la capa productora de energía.

"Puedes imaginar una energía así como una especie de cañón:los electrones caen en él y no pueden volver a salir, "dijo Caleb Cobourn, investigador graduado en el Departamento de Física de la U-M y autor del estudio. "Así que continúan moviéndose libremente en la capa de fullereno en lugar de recombinarse en la capa de producción de energía, como lo harían normalmente. Es como una antena masiva que puede recolectar una carga de electrones desde cualquier parte del dispositivo ".

Forrest advierte que el uso generalizado del descubrimiento en aplicaciones como las células solares es teórico en este momento. Pero, está emocionado por las mayores implicaciones del descubrimiento para comprender y explotar las propiedades de los semiconductores orgánicos.

"Creo que la energía solar ubicua es la clave para alimentar nuestro planeta, que se calienta constantemente y está cada vez más poblado, y eso significa colocar células solares en objetos cotidianos como fachadas y ventanas de edificios, ", Dijo Forrest." Una tecnología como esta podría ayudarnos a producir energía de una manera económica y casi invisible ".

El estudio se titula "Difusión de electrones a escala centimétrica en heteroestructuras orgánicas fotoactivas". La investigación fue apoyada por el Programa SunShot del Departamento de Energía de EE. UU. Y por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.