El ingeniero de la Universidad Rice, Rafael Verduzco, sostiene una celda solar flexible desarrollada por su laboratorio. El laboratorio está trabajando para producir células solares orgánicas que se estiren y flexionen. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Las células solares orgánicas que se pueden pintar o imprimir en superficies son cada vez más eficientes, y ahora se muestran prometedoras para su incorporación en aplicaciones como la ropa que también requieren que sean flexibles.
El laboratorio de la Universidad Rice del ingeniero químico y biomolecular Rafael Verduzco ha desarrollado energía fotovoltaica orgánica flexible que podría ser útil donde sea constante, la generación de baja potencia es suficiente.
La investigación aparece en la revista American Chemical Society Química de Materiales .
Las células solares orgánicas se basan en materiales a base de carbono, incluidos polímeros, en lugar de duro, materiales inorgánicos como el silicio, para capturar la luz del sol y traducirla en corriente. Los orgánicos también son delgados, ligero, semitransparente y económico. Mientras que en el medio del camino, comercial, Las células solares basadas en silicio funcionan con una eficiencia de alrededor del 22 por ciento (la cantidad de luz solar convertida en electricidad), los orgánicos alcanzan un máximo de alrededor del 15 por ciento.
"El campo ha estado obsesionado con la tabla de eficiencia durante mucho tiempo, ", Dijo Verduzco." Ha habido un aumento en la eficiencia de estos dispositivos, pero las propiedades mecánicas también son muy importantes, y esa parte se ha descuidado.
"Si estira o dobla cosas, obtienes grietas en la capa activa y el dispositivo falla ".
Verduzco dijo que un enfoque para solucionar el problema de la fragilidad sería encontrar polímeros u otros semiconductores orgánicos que sean flexibles por naturaleza. pero su laboratorio tomó otro rumbo. "Nuestra idea era ceñirnos a los materiales que han sido cuidadosamente desarrollados durante 20 años y que sabemos que funcionan, y encontrar una forma de mejorar sus propiedades mecánicas, " él dijo.
En lugar de hacer una malla y verter los polímeros semiconductores, los investigadores de Rice mezclaron reactivos de tiol-eno a base de azufre. Las moléculas se mezclan con los polímeros y luego se reticulan entre sí para proporcionar flexibilidad.
El proceso no es gratuito, porque muy poco tiol-eno hace que los polímeros cristalinos sean propensos a agrietarse bajo tensión, mientras que demasiado amortigua la eficacia del material.
Las pruebas ayudaron al laboratorio a encontrar su Zona Ricitos de Oro. "Si reemplazamos el 50 por ciento de la capa activa con esta malla, el material obtendría un 50 por ciento menos de luz y la corriente disminuiría, "Dijo Verduzco." En algún momento, no es práctico. Incluso después de que confirmamos que la red se estaba formando, necesitábamos determinar cuánto tiol-eno necesitábamos para suprimir la fractura y el máximo que podíamos aportar sin que no tuviera valor como dispositivo electrónico ".
Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado energía fotovoltaica orgánica flexible con un aditivo químico que mitiga las cualidades frágiles del material sin perder eficiencia. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Aproximadamente con un 20 por ciento de tiol-eno, descubrieron que las células conservaban su eficacia y ganaban flexibilidad. "Son moléculas pequeñas y no alteran mucho la morfología, "Dijo Verduzco." Podemos hacer brillar luz ultravioleta o aplicar calor o simplemente esperar, y con el tiempo se formará la red. La química es suave rápido y eficiente ".
El siguiente paso fue estirar el material. "El P3HT puro (la capa a base de politiofeno activo) comenzó a agrietarse con una deformación de aproximadamente el 6 por ciento, ", Dijo Verduzco." Cuando agregamos un 10 por ciento de tiol-eno, podríamos tensarlo hasta un 14 por ciento. Con una tensión de alrededor del 16 por ciento, comenzamos a ver grietas en todo el material ".
La energía fotovoltaica orgánica flexible que se está desarrollando en la Universidad de Rice tiene un aditivo químico que mitiga las cualidades frágiles del material. El laboratorio emplea moléculas de tiol-eno que se infiltran en el polímero y forman una malla que hace que el material se estire sin perder eficacia. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
En cepas superiores al 30 por ciento, el material se flexionó muy bien pero se volvió inútil como célula solar. "Descubrimos que esencialmente no hay pérdida en nuestra fotocorriente hasta alrededor del 20 por ciento, ", dijo." Ese parece ser el punto óptimo ".
El daño por tensión afectó al material incluso cuando se liberó la tensión. "La tensión afecta la forma en que estos dominios cristalinos se empaquetan y se traduce en roturas microscópicas en el dispositivo, "Dijo Verduzco." Los huecos y los electrones todavía necesitan caminos para llegar a los electrodos opuestos ".
Dijo que el laboratorio espera probar diferentes materiales fotovoltaicos orgánicos mientras trabaja para hacerlos más elásticos con menos aditivos para celdas de prueba más grandes.
El estudiante universitario de Rice, Changxu Sun, monta un célula fotovoltaica orgánica a un dispositivo de prueba. Los científicos del laboratorio utilizan un aditivo químico para mitigar las propiedades frágiles del material y hacerlo más adaptable para aplicaciones como ropa o películas solares delgadas para ventanas. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
