Los físicos de la Universidad de Rutgers han descubierto nuevas propiedades en un material que podrían resultar en células solares de plástico eficientes y económicas para la producción de electricidad sin contaminación.

El descubrimiento, publicado en línea y programado para su publicación en un próximo número de la revista Materiales de la naturaleza , revela que las partículas portadoras de energía generadas por paquetes de luz pueden viajar del orden de mil veces más lejos en semiconductores orgánicos (basados ​​en carbono) de lo que los científicos habían observado anteriormente. Esto aumenta las esperanzas de los científicos de que las células solares basadas en esta tecnología en ciernes puedan algún día superar a las células solares de silicio en costo y rendimiento. aumentando así la practicidad de la electricidad generada por energía solar como fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles.

"Los semiconductores orgánicos son prometedores para las células solares y otros usos, como pantallas de video, porque se pueden fabricar en grandes láminas de plástico, "dijo Vitaly Podzorov, profesor asistente de Física en Rutgers. "Pero su limitada eficiencia de conversión fotovoltaica los ha frenado. Esperamos que nuestro descubrimiento estimule un mayor desarrollo y progreso".

Podzorov y sus colegas observaron que los excitones, partículas que se forman cuando los materiales semiconductores absorben fotones, o partículas de luz - pueden viajar mil veces más lejos en un semiconductor orgánico cristalino extremadamente puro llamado rubrene. Hasta ahora, Se observó típicamente que los excitones viajan menos de 20 nanómetros (mil millonésimas de metro) en semiconductores orgánicos.

"Esta es la primera vez que observamos que los excitones migran unas pocas micras, "dijo Podzorov, señalando que midieron longitudes de difusión de dos a ocho micrones, o millonésimas de metro. Esto es similar a la difusión de excitones en materiales de células solares inorgánicas como el silicio y el arseniuro de galio.

"Una vez que la distancia de difusión del excitón se vuelve comparable a la longitud de absorción de luz, puede recolectar la mayor parte de la luz solar para la conversión de energía, " él dijo.

Los excitones son entidades similares a partículas que constan de un electrón y un agujero de electrones (una carga positiva atribuida a la ausencia de un electrón). Pueden generar un fotovoltaje cuando golpean un límite o unión de semiconductores, y los electrones se mueven hacia un lado y los agujeros se mueven hacia el otro lado de la unión. Si los excitones difunden solo decenas de nanómetros, solo los más cercanos a las uniones o límites generan fotovoltaje. Esto explica las bajas eficiencias de conversión eléctrica de las células solares orgánicas actuales.

"Ahora perdemos el 99 por ciento de la luz solar, "Podzorov anotó.

Si bien los cristales de rubreno extremadamente puros fabricados por los físicos de Rutgers son adecuados solo para la investigación de laboratorio en este momento, La investigación muestra que el cuello de botella de la difusión del excitón no es una limitación intrínseca de los semiconductores orgánicos. El desarrollo continuo podría resultar en materiales más eficientes y fabricables.

Los científicos descubrieron que los excitones en sus cristales de rubreno se comportaban más como los excitones observados en los cristales inorgánicos, una forma deslocalizada conocida como Wannier-Mott. o WM, excitones. Los científicos creían anteriormente que solo la forma más localizada de excitones, llamados excitones de Frenkel, estaban presentes en semiconductores orgánicos. Los excitones de WM se mueven más rápidamente a través de las redes cristalinas, resultando en mejores propiedades optoelectrónicas.

Podzorov señaló que la investigación también produjo una nueva metodología de medición de excitones basada en espectroscopía óptica. Dado que los excitones no están cargados, son difíciles de medir con métodos convencionales. Los investigadores desarrollaron una técnica llamada espectroscopia de fotocorriente resuelta por polarización, que disocia los excitones en la superficie del cristal y revela una gran fotocorriente. La técnica debe ser aplicable a otros materiales, Podzorov afirma.