Las células solares orgánicas tienen el potencial de convertirse en una fuente de energía renovable que es económica y rápida de implementar y ampliar. Los físicos de la Universidad de Oxford han explorado algunos de los fundamentos científicos de cómo se forman y funcionan estas células.

La energía solar representa actualmente menos del 2% de la electricidad generada en todo el mundo, pero podría hacer una gran contribución a la sostenibilidad. Alcanzar la escala implica desplegarlo sobre una gran superficie. "Necesitamos varios miles de kilómetros cuadrados para hacer mella en el suministro de energía del mundo, por lo que la capacidad de escalar rápidamente y a bajo costo es vital, "dice el profesor Moritz Riede, el investigador principal de OSC Go y profesor asociado de nanomateriales funcionales blandos en Oxford. "Le gustaría poder cubrir kilómetros cuadrados con células solares de una manera económica y rápida".

La mayoría de los sistemas solares disponibles comercialmente se basan en semiconductores de silicio inorgánico. Orgánico, La energía fotovoltaica a base de carbono podría ofrecer muchas ventajas:son livianas y flexibles, puede venir en diferentes colores, y están hechos a bajo costo, utilizando procesos de baja temperatura. Desafortunadamente, actualmente también son mucho menos eficientes para convertir la luz solar en electricidad que los sistemas convencionales basados ​​en silicio.

El equipo de OSC Go ha pasado los últimos cuatro años explorando algunas de las preguntas fundamentales sobre cómo se fabrican las células solares orgánicas (OSC) con el fin de mejorar su rendimiento.

Observando la deposición

Las relaciones estructura-propiedad han sido un foco importante de su investigación, ya que la disposición de las moléculas dentro de una célula solar orgánica puede tener un gran impacto en su rendimiento. El equipo ideó formas de utilizar luz de varias longitudes de onda, desde rayos X hasta infrarrojo cercano, para investigar cómo se organizan las moléculas en películas delgadas. "Esto generalmente se investiga cuando está completamente formado, una vez finalizado el proceso, pero podemos observar las moléculas durante el proceso de deposición, "dice el profesor Riede, "para que podamos ver cómo se empaquetan las moléculas y qué podemos hacer para manipular su disposición".

Usando Fullerene C60, un material que se utiliza a menudo para hacer OSC, el equipo logró observar cómo se pueden formar defectos en estas películas delgadas e incluso influir en el resultado. "Hemos observado fallas de apilamiento de C en una dirección molecular particular, "dice el profesor Riede, "Eso nos dio un punto de datos importante a nivel estructural para interpretar cómo funcionan estos dispositivos".

Grandes modelos a seguir

En una celda solar orgánica, la luz solar se absorbe en las capas fotoactivas que generalmente consisten en una mezcla de dos materiales, donantes de electrones y moléculas aceptoras, donde se convierte en electricidad. Los investigadores de OSC Go dedicaron tiempo a evaluar el rendimiento de las células solares de heterounión diluidas, aquellas en las que el contenido de donantes es del 5% o menos.

"Se descubrió que estos dispositivos funcionan sorprendentemente bien, "dice el profesor Riede, "así que hemos estado buscando en células C60 puras para ver cómo se empaquetan las moléculas y cómo se empaquetan y funcionan en presencia de otras moléculas. Estos dispositivos son sistemas modelo excelentes y tratamos de unir los resultados microestructurales con los foto-físicos".

El efecto de los cambios en la microestructura sobre el rendimiento de los dispositivos fue una tercera área de estudio. En colaboración con la empresa química Merck, el equipo investigó qué sucede cuando la película OSC se somete a altas temperaturas o se expone a la luz solar durante largos períodos de tiempo, que lo harán durante la operación. "Medimos los cambios en la microestructura con rayos X y otros métodos y pudimos relacionar estos cambios con los cambios en el rendimiento de las OSC, "dice el profesor Riede, "así que esto nos permite buscar formas de inhibir eso".

Una mejor comprensión de lo que está sucediendo a nanoescala será muy útil cuando se trata de elegir qué materiales usar para hacer OSC eficientes. El profesor Riede cree.

"Hay una gran cantidad de materiales que se pueden utilizar y se pueden ajustar y mejorar su rendimiento mediante un diseño químico inteligente y buenas condiciones de fabricación. " él dice, "pero para poder hacerlo, también tienes que ser capaz de comprender los fundamentos ".