Usando un análogo biomimético de una de las estructuras de captación de luz más eficientes de la naturaleza, hojas de hierba, un equipo de investigación internacional dirigido por Alejandro Briseno de la Universidad de Massachusetts Amherst ha dado un paso importante en el desarrollo de una arquitectura polimérica tan buscada para aumentar la eficiencia de conversión de energía de la luz en electricidad para su uso en dispositivos electrónicos.

Briseño, con colegas y estudiantes de posgrado en UMass Amherst y otros en la Universidad de Stanford y la Universidad de Tecnología de Dresden, Alemania, informe en el número actual de Nano letras que mediante el uso de nanopilares orgánicos monocristalinos, o "nanograss, "encontraron una manera de sortear callejones sin salida, o caminos discontinuos, que plantean un serio inconveniente cuando se utilizan sistemas combinados conocidos como donante-aceptor de heterounión a granel, o positivo-negativo (p-n), Uniones para la recolección de energía en células solares orgánicas.

El grupo de investigación de Briseno es uno de los pocos en el mundo que diseña y cultiva uniones p-n de cristal único orgánico. Él dice, "Este trabajo es un avance importante en el campo de las células solares orgánicas porque hemos desarrollado lo que el campo considera la arquitectura del 'Santo Grial' para recolectar luz y convertirla en electricidad". El avance en el control de la morfología debería tener un uso generalizado en las células solares, baterías y transistores verticales, él añade.

Briseno explica, "Durante décadas, los científicos e ingenieros han realizado un gran esfuerzo para tratar de controlar la morfología de las interfaces de unión p-n en las células solares orgánicas. Informamos aquí que por fin hemos desarrollado la arquitectura ideal compuesta de nanopilares verticales orgánicos monocristalinos". Los nanopilares son a nanoescala, Superficies diseñadas con miles de millones de postes orgánicos que se asemejan a briznas de hierba, y al igual que las hojas de hierba, son particularmente eficaces para convertir la luz en energía.

El avance no solo aborda el problema de los callejones sin salida o los caminos discontinuos que hacen que la transferencia de energía sea ineficiente, pero también resuelve algunos problemas de inestabilidad, donde los materiales en mezclas mixtas de polímeros tienden a perder su comportamiento de fase separada con el tiempo, degradación de la transferencia de energía, dice el químico de polímeros. También, los materiales en los sistemas mezclados tienden a ser amorfos a semicristalinos en el mejor de los casos y "esto es una desventaja ya que el transporte de carga es más eficiente en sistemas altamente cristalinos".

Específicamente, para controlar la orientación molecular y el empaquetamiento en las superficies de los electrodos, el equipo combinó conocimientos sobre grafeno y cristales orgánicos. Aunque fue difcil, Briseno dice:consiguieron que los compuestos necesarios se apilaran como monedas. Los compuestos apilados son ideales para el transporte de carga, ya que esta configuración tiene la mayor anisotropía de transporte de carga. La anisotropía de transporte de carga es un fenómeno en el que los electrones fluyen más rápido a lo largo de una dirección cristalográfica particular debido a interacciones cercanas molécula-molécula. En este caso, la anisotropía está a lo largo del nanopilar, perpendicular al sustrato.

Briseno dice:"El mayor desafío en la producción de esta arquitectura fue encontrar el sustrato apropiado que permitiera que las moléculas se apilaran verticalmente. Habíamos explotado prácticamente todos los sustratos posibles hasta que finalmente lo logramos con el grafeno". " él añade, lo que sucedió por accidente cuando un estudiante eligió el sustrato incorrecto para cultivar cristales.

"Durante más de una semana, el estudiante estuvo cultivando cristales verticales y ni siquiera nos dimos cuenta hasta que obtuvimos una imagen de la superficie del sustrato con un microscopio electrónico de barrido. ¡Nos sorprendió ver pequeños cristales en posición vertical! Finalmente optimizamos las condiciones y determinamos el mecanismo de cristalización, ", añade el químico de polímeros.

Los nanopilares verticales son geometrías ideales para sortear estos desafíos, Briseno dice:"porque la separación / recolección de carga es más eficiente perpendicular al dispositivo de plástico. En este caso, nuestros nanopilares se parecen mucho al nanograss. Nuestros sistemas comparten atributos similares de la hierba, como el sistema de matriz de alta densidad, orientaciones verticales y la capacidad de convertir la luz en energía de manera eficiente ".

La técnica es simple, económicos y aplicables a una biblioteca de compuestos donantes y aceptores que están disponibles comercialmente, él nota. "Prevemos que nuestras células solares nanopilares serán atractivas para aplicaciones de energía de gama baja, como dispositivos, juguetes sensores y dispositivos desechables de corta duración ".