Las células solares orgánicas tienen el potencial de convertir la luz solar en energía eléctrica de forma económica y respetuosa con el medio ambiente. El desafío es que todavía funcionan de manera menos eficiente que los semiconductores inorgánicos. Las mediciones ultrarrápidas en células híbridas ahora revelan una ruta para duplicar su eficiencia.
El uso de energía fotovoltaica orgánica para la producción de electricidad a partir de la luz solar ofrece una base atractiva y prometedora para un medio de suministro de energía innovador y respetuoso con el medio ambiente. Se pueden fabricar de forma bastante económica y, porque son tan flexibles como una envoltura de plástico, se pueden procesar de forma flexible. El problema es que todavía son notablemente menos eficientes que las células semiconductoras inorgánicas convencionales. El proceso más crucial en la conversión de luz en corriente eléctrica es la generación de portadores de carga gratuita. En el primer paso de la fotoconversión, tras la absorción de luz, un componente de la célula solar orgánica, generalmente un polímero, libera electrones que son absorbidos por el segundo componente de la celda, en este caso nanopartículas de silicio, y luego pueden ser transportados más lejos.
"Los mecanismos y la escala de tiempo de la separación de cargos han sido objeto de un controvertido debate científico durante muchos años, ", dice el profesor de física de la LMU, Eberhard Riedle. En cooperación con investigadores de la Universidad Técnica de Múnich y de la Universidad de Bayreuth, Riedle y su grupo ahora han podido analizar el proceso en detalle. Para hacerlo los investigadores utilizaron un nuevo tipo de célula híbrida que contiene componentes tanto orgánicos como inorgánicos, en el que el silicio sirve como aceptor de electrones. Según los conocimientos obtenidos con este sistema, desarrollaron una estrategia de procesamiento para mejorar el orden estructural del polímero, y encontraron que esto mejora la eficiencia de la separación de carga en semiconductores orgánicos hasta en dos veces. Sus hallazgos proporcionan una nueva forma de optimizar el rendimiento de las células solares orgánicas.
La clave de este avance radica en un configuración experimental basada en láser, que combina una resolución temporal extremadamente alta de 40 femtosegundos (fs) con una detección de banda muy ancha. Esto permitió al equipo seguir los procesos ultrarrápidos inducidos por la absorción de fotones en tiempo real a medida que ocurren. En lugar de los fullerenos utilizados en las células orgánicas típicas, los investigadores utilizaron silicio como aceptor de electrones, una elección que tiene dos ventajas principales.
"Primero, con estas novedosas células solares híbridas, pudimos sondear los procesos fotofísicos que tienen lugar en el polímero con mayor precisión que nunca, y en segundo lugar mediante el uso de silicio, un segmento mucho más grande del espectro solar puede aprovecharse para la electricidad, "dice Riedle.
Resulta que los portadores de carga gratuita, los llamados polarones, no se generan inmediatamente después de la fotoexcitación, pero con un retraso de unos 140 fs. La fotoexcitación primaria de una molécula de polímero conduce primero a la formación de un estado excitado, llamado excitón. Esto luego se disocia, liberando un electrón, que luego se transfiere al aceptor de electrones. La pérdida de electrones deja atrás "agujeros" cargados positivamente en el polímero y, como entidades de carga opuesta son atraídas entre sí por la fuerza de Coulomb, los dos tienen tendencia a recombinarse.
"Con el fin de obtener portadores de carga gratuita, El electrón y el agujero deben ser lo suficientemente móviles para superar la fuerza de Coulomb, "explica Daniel Herrmann, el primer autor del nuevo estudio. El equipo pudo mostrar, por primera vez, que esto es mucho más fácil de lograr en polímeros con un orden, estructura regular que con polímeros que están dispuestos caóticamente. En otras palabras, un alto grado de autoorganización del polímero aumenta significativamente la eficiencia de la separación de cargas.
"El polímero que usamos es uno de los pocos que se sabe que tiene una tendencia a autoorganizarse. Esta tendencia se puede inhibir, pero también se puede aumentar la propensión intrínseca del polímero a la autoorganización eligiendo los parámetros de procesamiento adecuados, "Explica Herrmann. Optimizando inteligentemente el procesamiento del polímero P3HT, los investigadores lograron duplicar el rendimiento de los portadores de carga gratuita y, por lo tanto, mejoraron significativamente la eficiencia de sus células solares experimentales.
