Esta es una vista molecular de la película solar de polímero / fullereno que muestra una interfaz entre los dominios aceptores y donantes. Los puntos rojos son moléculas de PC71BM y las líneas azules representan cadenas de PTB7. Las excitaciones se muestran como puntos amarillos, los puntos morados son electrones y los puntos verdes representan agujeros. Crédito:Imagen cortesía de Harald Ade, Universidad Estatal de Carolina del Norte
¿Por qué las células solares eficientes y asequibles son tan codiciadas? Volumen. La cantidad de energía solar que ilumina la masa terrestre de la Tierra cada año es casi 3, 000 veces la cantidad total de energía humana anual. Pero para competir con la energía de los combustibles fósiles, Los dispositivos fotovoltaicos deben convertir la luz solar en electricidad con una cierta medida de eficiencia. Para células fotovoltaicas orgánicas a base de polímeros, que son mucho menos costosas de fabricar que las células solares basadas en silicio, Los científicos han creído durante mucho tiempo que la clave para una alta eficiencia reside en la pureza de los dos dominios del polímero / célula orgánica:el aceptor y el donante. Ahora, sin embargo, Se ha mostrado una ruta alternativa y posiblemente más fácil hacia adelante.
Trabajando en Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, una fuente principal de rayos X y rayos de luz ultravioleta para la investigación, un equipo internacional de científicos descubrió que para las células fotovoltaicas orgánicas / poliméricas de alta eficiencia, el tamaño importa.
"Hemos demostrado que los dominios impuros si se hacen lo suficientemente pequeños también pueden conducir a un mejor rendimiento en células fotovoltaicas orgánicas basadas en polímeros, "dice Harald Ade, físico de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, quien dirigió esta investigación. "Parece haber un punto medio feliz, una especie de punto dulce, entre la pureza y el tamaño del dominio que debería ser mucho más fácil de lograr que la pureza ultra alta ".
Ade, usuario de ALS desde hace mucho tiempo, es el autor correspondiente de un artículo que describe este trabajo en Materiales energéticos avanzados titulado "La medición absoluta de la composición del dominio y la distribución del tamaño a nanoescala explica el rendimiento en las células solares PTB7:PC71 BM". Los coautores son Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann y Christopher McNeill.
La eficiencia de conversión de células solares en células fotovoltaicas de polímero / orgánico depende de que los excitones (pares de electrones / huecos energizados por la luz solar) lleguen a las interfaces de los dominios donante y aceptor rápidamente para minimizar la pérdida de energía en forma de calor. La sabiduría convencional sostenía que cuanto mayor era la pureza de los dominios, cuantas menos impedancias y más rápido el viaje del excitón.
Ade y sus coautores se convirtieron en los primeros en medir simultáneamente el tamaño del dominio, composición y cristalinidad de una célula solar orgánica. Esta hazaña fue posible gracias a las líneas de luz ALS 11.0.1.2, una instalación de Dispersión Resonante de Rayos X Suaves (R-SoXS); 7.3.3, una estación final de dispersión de rayos X de ángulo pequeño y gran angular (SAXS / WAXS /); y 5.3.2, una estación final para microscopía de rayos X de transmisión por barrido (STXM).
Dice Collins, el primer autor en el Materiales energéticos avanzados papel, "La combinación de estas tres líneas de luz ALS nos permitió obtener imágenes completas de la morfología de la película fotovoltaica orgánica basada en polímeros desde la nanoescala hasta la mesoescala. Hasta ahora, esta información ha sido inalcanzable ".
El equipo internacional usó la trifecta de vigas ALS para estudiar la mezcla de polímero / fullerence PTB7:PC71BM en películas delgadas hechas de una solución de clorobenceno con y sin la adición (tres por ciento en volumen) del solvente diyodooctano. Las películas estaban compuestas por dispersiones en forma de gotas en las que el tamaño del dominio aceptor dominante sin el aditivo era de aproximadamente 177 nanómetros. La adición del disolvente redujo el tamaño del dominio aceptor hasta aproximadamente 34 nanómetros mientras se conservaba la composición y cristalinidad de la película. Esto resultó en una ganancia de eficiencia del 42 por ciento.
"Al mostrar por primera vez cuán puros y grandes son realmente los dominios aceptores en los dispositivos solares orgánicos, así como el aspecto de la interfaz con el dominio del donante, Hemos demostrado que el impacto de los disolventes y aditivos en el rendimiento del dispositivo puede ser espectacular y puede estudiarse sistemáticamente. "Ade dice". En el futuro, nuestra técnica debería ayudar a avanzar en el diseño racional de películas fotovoltaicas orgánicas a base de polímeros ".
