Semiconductores procesados ​​por solución, incluyendo materiales como perovskitas y puntos cuánticos (es decir, pequeñas partículas de materia en el régimen de tamaño cuántico), son sustancias con una conductividad que oscila entre la de los aislantes y la de la mayoría de los metales. Se ha descubierto que este tipo de semiconductores es particularmente prometedor para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos que funcionan bien y tienen bajos costos de fabricación.

Recientemente, algunos estudios han destacado las ventajas de fabricar semiconductores mediante la combinación de puntos cuánticos coloidales (CQD), nanopartículas que pueden recolectar fotones infrarrojos, y cromóforos orgánicos, partes de una molécula que absorben fotones de luz visible y dan color a la molécula. Sin embargo, hasta aquí, Los fotovoltaicos híbridos basados ​​en CQD y cromóforos solo han logrado eficiencias de conversión de energía (PCE) por debajo del 10 por ciento debido a un desajuste químico entre diferentes componentes y desafíos para permitir la recolección de carga.

Investigadores de la Universidad de Toronto y KAIST en Corea del Sur han desarrollado recientemente una arquitectura híbrida que supera estas limitaciones al introducir moléculas pequeñas en una estructura apilada CQD / orgánica. Las células solares híbridas que crearon, presentado en un artículo publicado en Energía de la naturaleza , lograron PCE notables que se conservan incluso después de largos períodos de funcionamiento continuo.

"El primer desafío de este estudio fue combinar las ventajas de la amplia banda fotoabsorbente de los CQD y el fuerte (pero más estrecho) coeficiente de absorción de las moléculas orgánicas para crear una plataforma fotovoltaica de mayor rendimiento, "Se-Woong Baek, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore.

Los investigadores se inspiraron en un estudio realizado por un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Berkeley hace casi dos décadas. que demostró el potencial de utilizar nanobarras y polímeros semiconductores para fabricar células solares híbridas. Mientras que el equipo de Berkeley Lab y varios otros intentaron combinar moléculas orgánicas con CQD, Baek y sus colegas sintieron que esto era difícil de lograr, ya que los rendimientos de los dispositivos logrados por sus arquitecturas híbridas fueron más bajos que los típicos semiconductores orgánicos o solo CQD. Por lo tanto, se propusieron investigar más a fondo el potencial de CQD / semiconductores orgánicos, tratando de superar las limitaciones de arquitecturas desarrolladas previamente.

Para que las células solares funcionen bien, deberían poder maximizar la absorción de luz y convertirla de manera eficiente en corriente eléctrica. Las células solares híbridas desarrolladas por Baek y sus colegas tienen un puente de moléculas pequeñas que complementa la absorción de CQD, que a su vez crea una cascada de excitadores con el polímero huésped. Esto da como resultado una transferencia de energía más eficiente que la observada en otras arquitecturas híbridas.

"La estructura que desarrollamos puede lograr una alta eficiencia de recolección de luz a través de una capa orgánica adicional, que tiene un fuerte coeficiente de absorción en su parte posterior y una absorción de banda ancha primaria por CQD cerca de su parte frontal, "Baek explicó." La mayor ventaja de las células solares resultantes es que nos permiten programar la foto-respuesta de CQD redimensionándola y combinándola con moléculas orgánicas adecuadas ".

La estructura única de las células solares desarrollada por Baek y sus colegas permite mayores grados de libertad en la programación de sus funciones en comparación con otros tipos de células solares híbridas. Además, permite que las células solares mantengan una buena eficiencia durante períodos más prolongados de funcionamiento continuo.

"Muchos estudios anteriores han informado de una absorbancia amplia y alta a través de una combinación de CQD y polímeros, pero su rendimiento fue menos eficiente debido a la baja eficiencia de extracción de carga, ", Dijo Baek." Al introducir el tercer componente, un puente de molécula pequeña, en heteroestructura híbrida CQD / polímero, revelamos un mecanismo subyacente que facilita la extracción de carga y la absorción, mejorando así los PCE ".

En el futuro, estas células solares podrían usarse para fabricar paneles fotovoltaicos que usen puntos cuánticos y cromóforos, pero que logran mayores eficiencias que las observadas en arquitecturas híbridas desarrolladas previamente. Hasta aquí, la estructura orgánica CQD que propusieron tiene una banda de absorción de hasta 1100 nanómetros. En sus próximos estudios, por lo tanto, les gustaría adaptar la estructura o desarrollar arquitecturas híbridas alternativas para lograr bandas de absorción más amplias.

"Finalmente, esta estructura podría combinarse con células solares de perovskita de banda prohibida realmente alta, por ejemplo, mediante el diseño de una plataforma de celda trasera como una estructura en tándem que puede reforzar la absorción de la banda del infrarrojo cercano, donde la perovskita no absorbe, "Baek dijo." Teóricamente, se puede agregar una eficiencia del 15 por ciento a la celda solar de perovskita cuando combinamos nuestra estructura híbrida como una celda trasera de estructura en tándem ".

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