Las simulaciones revelan objetivos de eficiencia y reglas de diseño para maximizar la conversión de luz en electricidad utilizando células solares orgánicas.

Las células solares orgánicas pronto podrían rivalizar con las tecnologías fotovoltaicas tradicionales basadas en silicio en términos de eficiencia de conversión. Un equipo del KAUST Solar Center ha desarrollado un enfoque computacional que proporciona objetivos de rendimiento prácticos y reglas útiles para ayudar a diseñar y desarrollar sistemas de materiales para células solares orgánicas óptimas.

La mayoría de los paneles solares dependen de semiconductores inorgánicos para recolectar y convertir la luz solar en electricidad. Materiales fotovoltaicos orgánicos, sin embargo, han surgido como ligeros, alternativas económicas. Estos materiales son fáciles de ajustar y procesar a gran escala, lo que los hace atractivos para la producción y comercialización industrial.

Las células solares orgánicas de última generación se basan en heterouniones masivas, que combinan materiales donantes y aceptores de electrones sensibles a la luz para formar una capa activa. La exposición a la luz solar crea un estado de excitación que genera pares de electrones y huecos cargados positivamente. que son responsables de la corriente eléctrica. Estos portadores de carga deben mantenerse separados, que se basa en los materiales donadores y aceptores de electrones.

Los materiales aceptores basados ​​en fullereno han producido células solares orgánicas con eficiencias de conversión incomparables durante casi dos décadas. Sin embargo, estos materiales tienen varios inconvenientes, como pérdidas de alto voltaje y mala absorción del espectro solar, que tienen eficiencias restringidas al 11 por ciento. Mientras tanto, Las alternativas no completas han superado recientemente a todas las células existentes basadas en fullereno, sin embargo, la falta de comprensión de los elementos que controlan la eficiencia de conversión de estas células ha limitado una mejora adicional en el rendimiento de la célula.

Thomas Anthopoulos y sus colaboradores utilizaron simulaciones por computadora para evaluar la influencia de varios parámetros clave, incluyendo la absorción y el espesor de la capa activa, movilidad del portador de carga y tasa de recombinación de carga, sobre el rendimiento de las células solares orgánicas no completas.

El becario postdoctoral Yuliar Firdaus explica que las simulaciones tratan explícitamente el efecto de estos parámetros. Por lo tanto, el límite de eficiencia celular calculado es similar a la eficiencia que las celdas no basadas en fullreno pueden lograr de manera realista con la mejora continua del material.

Los investigadores encontraron que las células no basadas en fulllereno podrían lograr eficiencias superiores al 18 por ciento, incluso con la movilidad de carga fácilmente alcanzable en los sistemas de materiales existentes. Las eficiencias podrían incluso superar el 20 por ciento con movilidades de electrones y huecos altas y equilibradas asociadas con constantes de baja tasa de recombinación. "Estoy seguro de que las células no basadas en fulllereno pronto alcanzarán estos límites de eficiencia calculados, "Dice Firdaus.

"Actualmente estamos trabajando en diferentes frentes, como el desarrollo de nuevas capas interfaciales y formulaciones dopantes, manteniendo el mismo objetivo principal:acercar la eficiencia de las células solares orgánicas a los límites prácticos identificados en nuestro estudio, "Dice Firdaus.