Los investigadores han descubierto por qué los nuevos tipos de materiales solares son tan buenos para captar la luz y han proporcionado reglas de diseño para mejorarlos.

Esto abre la oportunidad de diseñar células solares flexibles, que podría usarse en edificios y ropa.

Los paneles solares tradicionales están hechos de materiales a base de silicio que son eficientes pero relativamente caros y poco adaptables. Las nuevas células solares 'orgánicas' son, en cambio, mucho más flexibles, tanto en términos de cómo se pueden adaptar ajustando la química, y cómo se pueden doblar físicamente.

Los materiales solares orgánicos también se pueden producir como tintas, lo que significa que los dispositivos basados ​​en estos materiales se pueden producir en masa a bajo costo mediante pulverización o impresión.

Sin embargo, Actualmente, las células solares orgánicas no son tan eficientes para transformar la energía luminosa en electricidad como las células solares de silicio comunes. Los científicos han avanzado recientemente con nuevos tipos de materiales orgánicos, pero no sabían exactamente cómo los nuevos materiales pueden alcanzar estos niveles de eficiencia, evitando que los mejoren aún más.

Ahora, en una nueva investigación publicada esta semana en Materiales de la naturaleza , investigadores de un gran equipo internacional, incluido el Imperial College de Londres, han determinado cómo funcionan los nuevos materiales, y cómo se pueden mejorar aún más.

Eficiencia desconocida
Dr. Artem Bakulin, del Departamento de Química de Imperial, dijo:"La naturaleza liviana y flexible de las células solares orgánicas significa que se pueden moldear en cualquier forma que queramos. Existe un gran potencial para que las células solares orgánicas se integren en edificios y vehículos, o incluso incorporarse a los tejidos que llevamos. Barato, Los paneles solares livianos también se pueden transportar e instalar fácilmente en partes del mundo sin energía ".

Los investigadores sabían que en los materiales orgánicos había grandes pérdidas de energía, lo que significa que no eran eficientes en convertir la energía solar en electricidad.

Esto se debe a que parte de la energía que proviene de las partículas de luz (fotones) tiene que usarse para la 'separación de cargas', para ayudar a que las cargas eléctricas (los llamados 'electrones' y 'huecos') creados por los fotones se alejen entre sí. para que luego puedan generar corriente eléctrica.

En la gran mayoría de las células solares orgánicas desarrolladas en los últimos 30 años, al menos el 30 por ciento de la energía transportada por los fotones se pierde en la separación de cargas. Sin embargo, en los últimos años, se ha introducido una nueva clase de materiales orgánicos, comúnmente conocidos como 'aceptores no fullerenos' (NFA).

Los NFA han ayudado a reducir las pérdidas por separación de carga casi a la mitad y han llevado la eficiencia de las células solares orgánicas a alrededor del 14 por ciento. Esto es notable, dado que el límite teórico de eficiencia es de alrededor del 30 por ciento, y las células de silicio más comunes pueden alcanzar el 25 por ciento en entornos de laboratorio.

Nuevas reglas para nuevos materiales.
En colaboración con otros seis grupos de todo el mundo, Los investigadores de Imperial desarrollaron y estudiaron un gran conjunto de células solares eficientes basadas en NFA y descubrieron una posible razón detrás de su desempeño exitoso.

Usando técnicas avanzadas de láser ultrarrápido, observaron que en estos dispositivos, los electrones y huecos que están unidos entre sí y no pueden generar corriente no se pierden, pero pueden volver al estado excitado inicial con una energía que coincide con el fotón que los creó. De este modo, Las pérdidas de energía se reducen y la eficiencia del dispositivo puede alcanzar valores récord.

Con su nueva comprensión, El equipo también formuló el conjunto clave de reglas que pueden conducir a células solares orgánicas aún más eficientes en el futuro.

Los investigadores de los siete institutos de investigación de EE. UU., China y Europa han producido juntos alrededor de una docena de materiales diferentes, algunos de los cuales han sido reportados anteriormente y otros que son completamente nuevos. Los han utilizado para demostrar que las reglas propuestas concuerdan con los resultados experimentales, a pesar de que algunas de las reglas anulan las ideas anteriores.

Tom Hopper, del Departamento de Química de Imperial, dijo:"Hasta ahora, el desarrollo de materiales de células solares orgánicas se realizó principalmente mediante un enfoque sintético de prueba y error. Esperamos que las reglas de diseño que hemos establecido sean útiles para los científicos interesados ​​en el desarrollo de células solares orgánicas eficientes". . "