Investigadores de la Christian-Albrechts-University of Kiel (CAU), Alemania, integró con éxito estaño orgánico en polímeros semiconductores (plásticos) por primera vez. Se pueden utilizar polímeros semiconductores, por ejemplo, para la absorción de la luz solar en las células solares. Al incorporar estaño orgánico al plástico, la luz se puede absorber en una amplia gama del espectro solar. El nuevo polímero es presentado por la líder del proyecto, la profesora Anne Staubitz y el estudiante de doctorado Julian Linshöft en la reconocida revista profesional " Angewandte Chemie, Edición Internacional ".

A diferencia de los conductores eléctricos como los metales, Los semiconductores son materiales que conducen electricidad solo en determinadas circunstancias, por ejemplo, bajo irradiación con luz. Debido a esta propiedad, los plásticos semiconductores (también llamados polímeros semiconductores) son materiales muy prometedores para la última generación de células solares:las células solares orgánicas. En comparación con las variantes inorgánicas clásicas, su fabricación puede ser más barata y son materiales muy ligeros, que puede ser ventajoso para muchas aplicaciones, por ejemplo en el sector del transporte. "Sin embargo, Las células solares orgánicas todavía no alcanzan las mismas eficiencias que las células solares inorgánicas basadas en silicio, por lo que existe una necesidad sustancial de investigación en esta área ", Anne Staubitz del Otto Diels-Institute pone en contexto su área de investigación.

Un criterio importante de estos semiconductores es la eficacia con la que absorben la luz solar para convertirla en electricidad. Cuando la luz del sol se convierte en electricidad, Los electrones cargados negativamente en el semiconductor se elevan de un nivel de energía a un nivel de energía superior. Este proceso deja un "agujero" cargado positivamente en el nivel de energía más bajo. Luego, las cargas se filtran por separado a los diferentes polos eléctricos:se puede observar una corriente. La luz del sol puede iniciar este proceso. Cuanto más cerca estén estos niveles de energía, Cuanto más fácil es este proceso:se pueden absorber más fotones y, por lo tanto, se puede utilizar más energía solar. Polímeros en el que esta brecha ("banda prohibida") entre los niveles de energía es pequeña, tener un rojo, en casos raros incluso un color púrpura.

Por tanto, uno de los objetivos de la investigación de semiconductores orgánicos sintéticos es producir polímeros orgánicos con pequeños huecos de energía (o huecos de banda). Sin embargo, el desarrollo de tan fuertemente absorbentes de luz, Los plásticos de colores intensos son muy difíciles y, por lo tanto, un área muy activa en la investigación actual. "Con el nuevo material de nuestros laboratorios, ¡Es visible a simple vista que tuvimos éxito en el desarrollo de tales plásticos! ", dice Staubitz. El polímero es de color púrpura oscuro en solución y casi negro cuando se procesa en una película delgada.

Para lograr brechas energéticas muy pequeñas, los científicos de Kiel utilizaron un nuevo concepto. Incorporaron estaño orgánico en forma de moléculas cíclicas ("estannoles") en la estructura de carbono-polímero. El estaño pertenece al mismo grupo químico que el carbono y, por lo tanto, es similar en algunas de sus propiedades. Sin embargo, las propiedades electrónicas entre los estannoles y los correspondientes congéneres de carbono (ciclopentadienos) son muy diferentes. "El estaño no es solo un átomo de carbono con sobrepeso", Anne Staubitz explica. "Puede reducir drásticamente los niveles energéticos de sus compuestos orgánicos". Pero hasta ahora nadie pudo utilizar estas propiedades especiales del estaño en materiales poliméricos.

Unir estos bloques de construcción moleculares individuales (los monómeros) fue una tarea difícil para los investigadores:los monómeros no solo contenían el estaño deseado en las propias unidades de estannole; El estaño orgánico también estaba presente en los grupos de acoplamiento reactivos que eran necesarios para unir los monómeros para formar el polímero. Se suponía que solo estos grupos reaccionarían, mientras que los anillos de estannole no deben ser atacados. Esto fue vital, porque cualquier reacción secundaria no deseada conduciría a un acortamiento significativo de la cadena del polímero, conduciendo a un deterioro sustancial de la calidad del polímero. "Este fue un proyecto de alto riesgo, porque las reacciones de acoplamiento que pueden seleccionar entre dos grupos orgánicos de estaño diferentes no se conocían antes en química ", Dice Staubitz. Por lo tanto, El estudiante de doctorado Julian Linshöft no solo tuvo que desarrollar un pero una reacción de acoplamiento cruzado altamente selectiva. "La primera dificultad fue encontrar los patrones de reactividad correctos para los monómeros", Recuerda Linshöft. "Para esto, hasta ahora no había plomo en la literatura química ".

El experimento fue un éxito. El equipo pudo preparar el plástico deseado utilizando paladio como catalizador de reacción. El material se puede procesar fácilmente en películas delgadas, que son de un negro reluciente y cuya aplicación en células solares ahora se puede probar. Linshöft, cuyo trabajo fue financiado por una beca de la Fundación Alemana para el Medio Ambiente dice:"Finalmente, podemos preparar estos nuevos plásticos semiconductores. Todo su potencial se puede evaluar en un futuro próximo ".