Las células solares basadas en moléculas orgánicas ofrecen ventajas potenciales sobre los dispositivos convencionales para convertir la luz en electricidad. Estas células solares orgánicas podrían ser económicas, duraderas y fáciles de fabricar. Sin embargo, las células orgánicas aún no tienen el rendimiento que iguala a los dispositivos convencionales. Los esfuerzos de los científicos para mejorar el rendimiento se han visto limitados por su limitada comprensión de cómo los electrones excitados por la luz (o "fotoexcitados") se convierten en "portadores libres".

En principio, los portadores libres fluyen a través de un material y emergen como corriente eléctrica. Estudios científicos anteriores sugieren que la fotoexcitación conduce a un par estrechamente unido que consta de un electrón y un hueco. Estos estudios no describieron cómo superar las fuertes fuerzas de unión para formar portadores libres. Este nuevo estudio revela que más sitios en moléculas vecinas pueden aceptar electrones, lo que explica cómo se forman directamente los portadores libres.

Publicado en Horizontes de materiales , esta investigación desarrolló un nuevo modelo llamado Transferencia de electrones de rango de distribución (DRET). Los modelos anteriores para la generación de portadores libres en células solares orgánicas generalmente han invocado nuevos fenómenos físicos para explicar los resultados experimentales. En particular, han dicho que los portadores libres pueden formarse con una eficiencia cercana al 100% en un material donde las cargas opuestas son tradicionalmente difíciles de separar y usar.

En este nuevo estudio, los científicos sugieren una alternativa más simple utilizando conceptos bien establecidos. Se basan en un modelo simple de procesos que transfieren electrones en moléculas, conocido como teoría de Marcus, un modelo por el cual Rudy Marcus recibió el Premio Nobel en 1992. El nuevo modelo DRET podría abrir nuevos caminos hacia células solares orgánicas eficientes.

Desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), el nuevo modelo explica la generación de portadores libres en células solares orgánicas usando conceptos establecidos que incluyen la teoría de Marcus para la transferencia de electrones, combinada con una consideración de la entropía asociada con la interfaz de transferencia de carga y la posibilidad de eventos de transferencia de largo alcance. El modelo muestra que las reglas de diseño existentes para los procesos de transferencia de electrones en fase de solución se pueden aplicar a los sistemas fotovoltaicos orgánicos.

Estas reglas incluyen, en primer lugar, que la fuerza motriz se calcula usando el conocido término de energía de Gibbs. En segundo lugar, que se identifique el papel de la energía de reorganización. En tercer lugar, se identifican los factores que controlan la dependencia de la distancia del acoplamiento electrónico.

El modelo se ajusta a los datos experimentales recopilados mediante experimentos de conductividad de microondas con resolución temporal para trazar los regímenes normal, óptimo e invertido para la eficiencia de generación de portadores libres. El acuerdo cualitativo con los comportamientos observados durante mucho tiempo en los dispositivos fotovoltaicos orgánicos proporciona una plataforma unificada para comprender los productos de la transferencia de electrones fotoinducida tanto en solución como en sistemas de fase sólida. La integración de este nuevo modelo que captura de manera efectiva la naturaleza molecular discreta de los componentes que componen la estructura jerárquica de las células solares orgánicas puede permitir a los investigadores desarrollar materiales para procesos de generación de carga más eficientes. + Explora más

Los investigadores observan la región invertida de transferencia de carga de Marcus a partir de materiales semiconductores de baja dimensión