Células solares orgánicas, hecho de materiales a base de carbono, presentan ventajas únicas en comparación con otras tecnologías de células solares. Por ejemplo, pueden fabricarse mediante tecnologías de impresión de bajo coste, y se pueden hacer semitransparentes con colores seleccionables, que se puede utilizar arquitectónicamente en la integración de edificios. Su flexibilidad y bajo peso los hacen perfectos para alimentar los sensores para aplicaciones de Internet de las cosas.

Un desafío clave al que se enfrenta el desarrollo de células solares orgánicas es que suelen tener grandes pérdidas de energía. Ahora, 25 investigadores de siete institutos de investigación han elaborado normas para diseñar células solares orgánicas de alta eficiencia. La investigación está dirigida por Feng Gao, profesor asociado en la Universidad de Linkoping, Suecia.

"Hemos formulado algunas reglas de diseño racionales para minimizar las pérdidas de energía en las células solares orgánicas. Siguiendo estas reglas, presentamos una variedad de ejemplos con bajas pérdidas de energía y altas eficiencias de conversión de energía, "dice Feng Gao, profesor asociado de la División de Electrónica Biomolecular y Orgánica de la Universidad de Linkoping.

Las reglas de diseño que desafían algunas ideas sostenidas anteriormente, han sido publicados en un artículo en la prestigiosa revista Materiales de la naturaleza .

Usando estas reglas de diseño, Las células solares orgánicas prometen alcanzar a sus competidores con respecto a la eficiencia de conversión de energía. que mide la fracción de energía de la radiación solar que se convierte en electricidad. El límite teórico de la fracción de energía solar que se puede obtener en las células solares es de alrededor del 33 por ciento. Los experimentos de laboratorio con células solares basadas en silicio han logrado un 25 por ciento en el mejor de los casos. Los investigadores han creído hasta ahora que el límite para las células solares orgánicas es más bajo.

"Pero ahora sabemos que no hay diferencia:el límite teórico es el mismo para las células solares fabricadas a partir de silicio, perovskitas o polímeros, "dice Olle Inganas, profesor de electrónica biomolecular y orgánica, Universidad de Linköping.

Cuando los fotones del sol son absorbidos por el polímero semiconductor en una célula solar, los electrones en el material donante se elevan a un estado excitado, y se forman agujeros en el estado fundamental a los que los electrones permanecen atraídos. Para separar estos electrones y huecos ligados, se añade un material aceptor. Sin embargo, este material aceptor generalmente da como resultado pérdidas de energía adicionales, un problema que ha molestado a la comunidad de células solares orgánicas durante más de dos décadas.

El artículo en Materiales de la naturaleza presenta dos reglas fundamentales para minimizar las pérdidas de energía de las células solares orgánicas de alta eficiencia:

• Minimice la compensación de energía entre los componentes donante y aceptor.
• Asegúrese de que el componente de bajo espacio en la mezcla tenga una alta fotoluminiscencia.

Los investigadores de los siete institutos de investigación de EE. UU., China y Europa han producido juntos alrededor de una docena de materiales, algunos de los cuales han sido reportados anteriormente y otros que son completamente nuevos. Los han utilizado para demostrar que la nueva teoría concuerda con los resultados experimentales, aunque es algo incompatible con lo que se creía anteriormente.