Un desajuste electrónico en los pares de materiales utilizados para fabricar células solares orgánicas puede mejorar el funcionamiento de las células, según han demostrado los investigadores de KAUST. El hallazgo sorpresa, publicado en Advanced Materials y elaborado tras un reanálisis exhaustivo de materiales solares orgánicos de última generación, debería permitir a los investigadores predecir nuevas formulaciones orgánicas con un sólido rendimiento de las células solares.

La capa de captura de luz de las células solares orgánicas generalmente se compone de una mezcla de dos componentes llamada combinación donante-aceptor. A la luz del sol, la energía entrante puede excitar a los electrones para que salten entre diferentes niveles de energía en la mezcla, lo que sugiere que la alineación del nivel de energía entre el donante y el componente aceptor debería ser clave para el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, diferentes grupos de investigación han utilizado diferentes métodos para medir los niveles de energía y han producido resultados contradictorios sobre el efecto de la alineación del nivel de energía.

"Queríamos entender el origen de esta comprensión contradictoria", dice Anirudh Sharma, un postdoctorado en el laboratorio de Derya Baran, quien dirigió el trabajo. "Esto nos motivó a estudiar los niveles de energía de los materiales orgánicos de las células solares utilizando diferentes métodos para establecer relaciones materiales-propiedades significativas", dice.

El equipo determinó los niveles de energía de 33 materiales solares orgánicos utilizando cuatro técnicas diferentes. "Nuestros hallazgos muestran que los niveles de energía de los semiconductores orgánicos medidos mediante fotoelectrones y espectroscopía de fotoelectrones inversa de baja energía se correlacionan estrechamente con las propiedades de las células solares", dice Jules Bertrandie, Ph.D. estudiante en el grupo de Baran. Señala que la voltamperometría cíclica, por el contrario, dio resultados engañosos en el contexto de los niveles de energía de las células solares.

Después de establecer los mejores métodos para la medición, el equipo analizó la alineación del nivel de energía en 12 mezclas de células solares orgánicas donantes-aceptoras. Los resultados mostraron, contrariamente a la creencia actual, que las mezclas con poca o ninguna diferencia en una métrica de nivel de energía, conocida como energía de ionización, tuvieron un desempeño deficiente. Las células solares orgánicas de mejor rendimiento tenían una diferencia significativa en la energía de ionización entre el componente donante y el aceptor en la mezcla.

"No nos sorprendió que nuestra propuesta para un nuevo tipo de medición del nivel de energía fuera más confiable, pero nos sorprendió que nuestra hipótesis revelara que lo que comúnmente se cree en la literatura en realidad no es cierto", dice Baran. "Este método tiene un gran potencial para revelar nuevos sistemas de pares donante-aceptor que podrían funcionar bien en células solares orgánicas y también resaltarían qué pares no funcionarán", agrega.

La importancia del resultado se extiende más allá de la investigación solar, señala Sharma. "Las implicaciones de este estudio son relevantes para un campo más amplio de la electrónica orgánica en general", dice. + Explora más

Mapeo de cómo fluye la energía en las células solares orgánicas