Los científicos de materiales de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han logrado un nuevo récord en el desempeño de orgánicos, no a base de fullereno, células solares de unión única. Usando una serie de optimizaciones complejas, lograron una eficiencia de conversión de energía certificada del 12,25 por ciento en una superficie de un centímetro cuadrado. Esta superficie estandarizada es la etapa preliminar para la fabricación de prototipos. Los resultados, logrado en conjunto con socios de la Universidad Tecnológica del Sur de China (SCUT), ahora se han publicado en Energía de la naturaleza .

Los sistemas fotovoltaicos orgánicos han experimentado un rápido desarrollo durante los últimos años. En la mayoría de los casos, Las células solares orgánicas constan de dos capas de semiconductores:una actúa como donante al suministrar los electrones, y el segundo actúa como aceptor o conductor de electrones. En contraste con el silicio usado convencionalmente, que deben extraerse de una masa fundida o precipitarse en sistemas de vacío, las capas de polímero de este sistema se pueden depositar a partir de una solución directamente sobre una película de soporte. Por un lado, esto significa costos de fabricación comparativamente bajos, y por otro, Estos módulos flexibles se pueden utilizar más fácilmente que las células solares de silicio en espacios urbanos. Por mucho tiempo, fullerenos, que son nanopartículas a base de carbono, fueron considerados aceptadores ideales, pero las pérdidas intrínsecas de los compuestos a base de fullereno aún limitan severamente su eficiencia potencial. El trabajo realizado en FAU ha supuesto, por tanto, un cambio de paradigma. "Con nuestros socios en China, hemos descubierto una nueva molécula orgánica que absorbe más luz que los fullerenos que también es muy duradera, "dice el Prof. Dr. Christoph Brabec, Cátedra de Ciencia de Materiales (Materiales en Electrónica y Tecnología Energética) en FAU.

Estandarización compleja

Las mejoras significativas en el rendimiento y la durabilidad significan que los fotovoltaicos impresos híbridos orgánicos se están volviendo interesantes para uso comercial. Sin embargo, desarrollar prototipos prácticos, la tecnología debe transferirse de las dimensiones del laboratorio de unos pocos milímetros cuadrados a la dimensión estandarizada de un centímetro cuadrado.

"Con frecuencia se producen pérdidas significativas durante el escalado, "dice el Dr. Ning Li, científico de materiales en la Cátedra del Prof. Brabec. Durante un proyecto financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG), Ning Li y sus colegas de SCUT en Guangzou pudieron reducir significativamente estas pérdidas. En un proceso complejo, ajustaron la absorción de luz, niveles de energía y microestructuras de los semiconductores orgánicos. El enfoque principal de esta optimización fue la compatibilidad del donante y el aceptor, y el equilibrio de la densidad de corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto, que son requisitos previos importantes para una alta producción de electricidad.

Eficiencia récord certificada

"Creo que la mejor manera de describir nuestro trabajo es imaginando una caja de ladrillos Lego, ", dice Li." Nuestros socios en China insertaron y ajustaron grupos moleculares individuales en la estructura del polímero, y cada uno de estos grupos influye en una característica especial que es importante para la función de las células solares ". Esto da como resultado una eficiencia de conversión de energía del 12,25 por ciento, un nuevo récord certificado para células solares orgánicas de unión simple basadas en solución con una superficie de un centímetro cuadrado, donde el aceptor no consiste en fullerenos. También es interesante notar que los investigadores lograron mantener las pérdidas de escala a niveles tan bajos que el valor más alto en el laboratorio en una superficie pequeña fue solo marginalmente por debajo del 13 por ciento. Al mismo tiempo, pudieron demostrar una estabilidad relevante para la producción en condiciones simuladas como la temperatura y la luz solar.

El siguiente paso consiste en escalar el modelo al tamaño del módulo en la Fábrica Solar del Futuro en Energie Campus Nürnberg (EnCN) antes de que comience el desarrollo de prototipos prácticos.