El objetivo de fabricar células solares orgánicas baratas puede haberse vuelto un poco más accesible con una nueva comprensión de la ciencia básica de la separación de cargas presentada en un artículo publicado en línea hoy. 3 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza . Escrito en coautoría por el ingeniero eléctrico de Penn State Noel Giebink con la autora principal Bethany Bernardo, un estudiante de su grupo, y colegas de IMEC en Bélgica, Laboratorio Nacional Argonne, Noroeste, y Princeton, el documento sugiere reglas de diseño para fabricar células solares más eficientes en el futuro.

Las células solares orgánicas tienen actualmente una eficiencia máxima de aproximadamente el 10 por ciento en el laboratorio, mucho menos que el silicio monocristalino inorgánico. Uno de los desafíos para lograr células orgánicas eficientes radica en separar los pares fuertemente unidos formados por un electrón cargado negativamente y su agujero cargado positivamente que resulta de la absorción de luz. colectivamente denominado excitón. El electrón y el agujero deben separarse para crear una corriente.

La forma en que se hace esto es creando una heterounión, que son dos semiconductores orgánicos diferentes uno al lado del otro, uno de los cuales le gusta ceder un electrón y el otro que acepta el electrón, dividiendo así el excitón original en un electrón y un agujero que reside en moléculas cercanas. Una pregunta de larga data en el campo, sin embargo, Así es como el electrón y el agujero cercanos, todavía fuertemente atraídos entre sí en esta etapa, logran separarse por completo para generar corriente con la eficiencia observada en la mayoría de las células solares.

En los ultimos años, Una nueva perspectiva ha propuesto que la alta eficiencia de separación se basa en un efecto cuántico:el electrón o el agujero puede existir en un estado ondulado esparcido sobre varias moléculas cercanas al mismo tiempo. Cuando la función de onda de uno de los portadores colapsa en un lugar lo suficientemente lejos de su socio, las cargas se pueden separar más fácilmente. El trabajo de Giebink y sus colegas proporciona nueva evidencia convincente para respaldar esta interpretación e identificar la nanocristalinidad del material aceptor común hecho de C ₆₀ moléculas (también conocidas como fullerenos o buckyballs) como la clave que permite que se produzca este efecto de deslocalización.

Este orden cristalino local parece ser crítico para la generación de fotocorriente eficiente en células solares orgánicas, dice Giebink. "Una opinión común en la comunidad es que se necesita un exceso de energía para romper el excitón, lo que significaba que tenía que haber una gran diferencia de nivel de energía entre los materiales donante y aceptor. Pero esa gran compensación de energía reduce el voltaje de la celda solar. Nuestro trabajo disipa esta compensación percibida a la luz del impacto que la deslocalización de la función de onda y la cristalinidad local tienen en el proceso de separación de carga. Este resultado debería ayudar a las personas a diseñar nuevas moléculas y optimizar las morfologías de donantes y aceptores que ayuden a aumentar el voltaje de las células solares sin sacrificar la corriente ".

El equipo utilizó varias técnicas espectroscópicas de luminiscencia y electroabsorción junto con difracción de rayos X para llegar a su conclusión. Sus resultados, detallado en el artículo titulado "Deslocalización y cribado dieléctrico de estados de transferencia de carga en células fotovoltaicas orgánicas, "proporcionará a otros grupos una mejor comprensión de la separación de cargas a medida que diseñan y modelan células solares orgánicas más eficientes.