La comprensión de las pérdidas de energía que afectan la conversión de luz en electricidad podría ayudar a mejorar la eficiencia de las células solares orgánicas. Un equipo de químicos orgánicos dirigido por KAUST, ingenieros de materiales, espectroscopistas y físicos teóricos de seis grupos de investigación ha evaluado exhaustivamente los procesos que limitan la eficiencia en sistemas fotovoltaicos orgánicos.

Para cosechar luz Las células solares orgánicas de vanguardia se basan en heterouniones masivas, mezclas de materiales donantes y aceptores de electrones sensibles a la luz. Cuando la luz incide en la heterounión, los estados excitados resultantes son pares de electrones y huecos cargados positivamente que deben separarse para producir corriente eléctrica. Durante la separación de carga, el donante le da electrones al aceptor, y el aceptador transfiere agujeros al donante. Por lo tanto, la eficiencia de las células solares depende de dos factores clave:la afinidad electrónica compensada entre estos materiales, que corresponde a la capacidad del aceptor para ganar un electrón e impulsa la transferencia de electrones; y la compensación de energía de ionización, que representa la propensión del donante a liberar un electrón, facilitando la transferencia del agujero.

Los aceptores no completos (NFA) han producido recientemente células solares con eficiencias de conversión cercanas al 20 por ciento, superando a los aceptadores basados ​​en fullereno que habían dominado previamente. "La clave de estas eficiencias récord es el diseño y la síntesis de materiales que combinan una generación de carga eficiente con pérdidas de energía mínimas, "explica el líder del equipo Frédéric Laquai." Sin embargo, el papel preciso de las compensaciones de energía y sus procesos relacionados no está claro, lo que ha estancado el desarrollo de reglas de diseño para sistemas basados ​​en NFA ", agrega.

Para abordar esto, el equipo multidisciplinario ideó un enfoque para monitorear los procesos fotofísicos que influyen en la generación de carga en 23 sistemas diferentes basados ​​en NFA. "Con nuestro colaborador, Denis Andrienko del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Alemania, Desarrollamos un modelo conciso que nos permitió correlacionar nuestras observaciones experimentales con parámetros físicos y estructuras químicas, "dice el científico investigador, Julien Gorenflot.

Los investigadores descubrieron que, contrariamente a informes recientes, Se necesitaban compensaciones sustanciales de energía de ionización para generar cargas. A diferencia de, las compensaciones por afinidad electrónica no lograron inducir la separación de carga independientemente de su magnitud. Estos hallazgos inesperados son el resultado de un proceso conocido como transferencia de energía de resonancia de Förster, que parece competir con la transferencia de electrones. La postdoctora Catherine De Castro explica que "esta es una consecuencia inmediata del principio de diseño de las mezclas, donde el donante y el aceptor presentan emisión y absorción superpuestas, lo que facilita la transferencia de energía ".

El equipo planea diseñar nuevos materiales que combinen una mayor eficiencia de generación de carga con menores pérdidas de energía. "Esto ayudará a reducir la brecha de eficiencia con otras tecnologías fotovoltaicas emergentes y acercará la energía fotovoltaica orgánica a su madurez y aplicación, "Dice Gorenflot.

El estudio se publica en Materiales de la naturaleza .