Un equipo internacional de científicos de materiales de Francia, Rusia y Kazajstán encontraron una manera de aumentar la eficiencia de las células solares orgánicas varias veces. El nuevo estudio, publicado en el Revista de Química de Materiales A , ha demostrado que las estructuras ordenadas basadas en moléculas orgánicas se pueden utilizar para producir energía solar.

Paneles solares, o baterías, son una de las formas más prometedoras de generar energía eléctrica. A partir de 2017, la potencia combinada de los paneles solares instalados en todo el mundo ascendió a 400 gigavatios. La industria de la energía solar está experimentando un rápido crecimiento, que depende de baterías más baratas y eficientes.

Una forma de mejorar los sistemas de energía solar es mediante la introducción de nuevos materiales. Los elementos básicos de un panel solar que convierte la luz en electricidad son las células fotovoltaicas, o células solares. En su mayoría están hechos de polisilicio, una forma de silicio policristalino de alta pureza. Pero los científicos están ocupados buscando materiales alternativos. Los polímeros orgánicos con propiedades fotovoltaicas son uno de los principales candidatos para reemplazar al polisilicio.

Un equipo de investigadores de Francia (la Universidad de Estrasburgo, Universidad de Lyon, Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse, Sincrotrón SOLEIL), Rusia (Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Universidad estatal de Moscú), y Kazajstán (Universidad de Nazarbayev) ha descrito una forma de aumentar la eficiencia de las células solares orgánicas mediante la incorporación de átomos de flúor en el polímero. Este proceso, conocido como fluoración, previamente se demostró que mejora las propiedades fotovoltaicas de los polímeros, pero el mecanismo era poco conocido. El nuevo estudio aclara el efecto de la fluoración sobre la eficiencia celular.

Experimentando con varias modificaciones de polímeros, el equipo aumentó la eficiencia de la celda del 3,7 al 10,2 por ciento. Si bien esto todavía está por debajo de la energía fotovoltaica de silicio comercial, la enorme ganancia en eficiencia sugiere que las células basadas en polímeros son una tecnología a tener en cuenta. Quizás con más ajustes, las células solares orgánicas podrían superar a sus contrapartes basadas en polisilicio.

El polímero genérico utilizado en el experimento tiene una estructura molecular bastante compleja. Consiste en una cadena de unidades repetidas que se muestra en la parte izquierda de la figura 1. Cada uno de ellos incluye heterociclos de azufre (anillos formados por un azufre y cuatro átomos de carbono) y cadenas laterales de hidrocarburos con una estructura ramificada.

Los investigadores produjeron una serie de modificaciones de este polímero para encontrar cuál tiene mejores propiedades fotovoltaicas. Cambiaron la estructura agregando átomos de flúor (figura 1, derecha) y variando la longitud de las cadenas laterales. Una configuración de polímero demostró resultar en propiedades muy superiores. A saber, la eficiencia de la celda y la salida de corriente fueron varias veces mayores.

Luego, el equipo investigó la estructura microscópica del compuesto de mejor rendimiento. El análisis de rayos X reveló que el apilamiento de polímeros estaba más ordenado. También, las moléculas se caracterizaron por una mayor movilidad del portador de carga, lo que significa que el material conduce mejor la electricidad. Para una celda solar, esto es claramente una ventaja.

El coautor del estudio, el profesor Dimitri Ivanov, señaló las ventajas tecnológicas de las células solares orgánicas. Dijo que se pueden fabricar en menos etapas, en comparación con los fotovoltaicos de silicio convencionales. Los polímeros absorbentes de luz también pueden funcionar como una película delgada, lo que significa que los paneles solares no necesitan ser planos.

"Por ejemplo, podría depositar baterías solares orgánicas en tejas, "agrega Ivanov, quien dirige el Laboratorio de Materiales Funcionales Orgánicos e Híbridos en MIPT y es director de investigación en el Centro Nacional Francés de Investigación Científica.

Según Ivanov, lo que hizo que el estudio fuera desafiante fue la "necesidad de optimizar la eficiencia de las células solares eligiendo los niveles correctos de energía molecular del donante y el aceptor, al mismo tiempo que se crea la estructura supramolecular apropiada que facilitaría el transporte de carga a los electrodos ".