Las nanopartículas magnéticas pueden aumentar el rendimiento de las células solares fabricadas con polímeros, siempre que la combinación sea la correcta. Este es el resultado de un estudio de rayos X en la fuente de radiación de sincrotrón de DESY, PETRA III. Agregar alrededor del uno por ciento de tales nanopartículas en peso hace que las células solares sean más eficientes, según los hallazgos de un equipo de científicos encabezado por el profesor Peter Müller-Buschbaum de la Universidad Técnica de Munich. Presentan su estudio en uno de los próximos números de la revista. Materiales energéticos avanzados (publicado en línea por adelantado).

Polímero, u orgánico, Las células solares ofrecen un enorme potencial:son económicas, flexible y extremadamente versátil. Su inconveniente en comparación con las células solares de silicio establecidas es su menor eficiencia. Típicamente, solo convierten un pequeño porcentaje de la luz incidente en energía eléctrica. Sin embargo, Las células solares orgánicas ya son económicamente viables en muchas situaciones, y los científicos buscan nuevas formas de aumentar su eficiencia.

Un método prometedor es la adición de nanopartículas. Ha sido mostrado, por ejemplo, que las nanopartículas de oro absorben luz solar adicional, que a su vez produce portadores de carga eléctrica adicionales cuando la energía es liberada nuevamente por las partículas de oro.

El equipo de Müller-Buschbaum ha seguido un enfoque diferente, sin embargo. "La luz crea pares de portadores de carga en la célula solar, que consiste en un electrón cargado negativamente y un agujero cargado positivamente, que es un sitio donde falta un electrón, "explica el autor principal del estudio actual, Daniel Moseguí González del grupo de Müller-Buschbaum. "El arte de hacer una célula solar orgánica es separar este par de electrones y huecos antes de que puedan recombinarse. Si lo hicieran, la carga producida se perdería. Estábamos buscando formas de extender la vida del par electrón-hueco, lo que nos permitiría separar más de ellos y dirigirlos a electrodos opuestos ".

Esta estrategia hace uso de un principio físico cuántico que establece que los electrones tienen una especie de rotación interna, conocido como giro. Según las leyes de la física cuántica, este giro tiene un valor de 1/2. El agujero cargado positivamente también tiene un giro de 1/2. Los dos giros pueden sumarse, si van en la misma dirección, o cancelarse entre sí si están en direcciones opuestas. Por lo tanto, el par electrón-hueco puede tener un espín total de 0 o 1. Los pares con un espín de 1 existen durante más tiempo que aquellos con un espín general de 0.

Los investigadores se propusieron encontrar un material que pudiera convertir el estado de giro 0 en un estado de giro 1. Esto requirió nanopartículas de elementos pesados, que invierten el giro del electrón o el agujero de modo que los giros de las dos partículas estén alineados en la misma dirección. De hecho, la magnetita de óxido de hierro (Fe3O4) es capaz de hacer precisamente esto. "En nuestro experimento, la adición de nanopartículas de magnetita al sustrato aumentó la eficiencia de las células solares hasta en un 11 por ciento, ", informa Moseguí González. La vida útil del par electrón-hueco se prolonga significativamente.

La adición de nanopartículas es un procedimiento de rutina que se puede llevar a cabo fácilmente en el transcurso de los diversos métodos de fabricación de células solares orgánicas. Es importante, sin embargo, no agregar demasiadas nanopartículas a la celda solar, debido a que la estructura interna de las células solares orgánicas está finamente ajustada para optimizar la distancia entre la recolección de luz, materiales activos, de modo que los pares de portadores de carga se puedan separar de la forma más eficaz posible. Estas estructuras se encuentran en el rango de 10 a 100 nanómetros.

"La investigación de rayos X muestra que si se mezcla una gran cantidad de nanopartículas en el material utilizado para fabricar la célula solar, cambias su estructura ", explica el coautor, el Dr. Stephan Roth, jefe de la línea de haz de DESY P03 en PETRA III, donde se llevaron a cabo los experimentos. "La célula solar que analizamos tolerará niveles de dopaje de nanopartículas de magnetita de hasta un uno por ciento en masa sin cambiar su estructura".

Los científicos observaron el mayor efecto cuando doparon el sustrato con un 0,6 por ciento de nanopartículas en peso. Esto provocó que la eficiencia de la célula solar de polímero examinada aumentara del 3,05% al ​​3,37%. "Un aumento del 11 por ciento en el rendimiento energético puede ser crucial para hacer que un material sea económicamente viable para una aplicación en particular, "enfatiza Müller-Buschbaum.

Los investigadores creen que también será posible aumentar la eficiencia de otras células solares poliméricas al doparlas con nanopartículas. "La combinación de polímeros de alto rendimiento con nanopartículas promete nuevos aumentos en la eficiencia de las células solares orgánicas en el futuro. Sin embargo, sin un examen detallado, como el que utiliza los rayos X emitidos por un sincrotrón, sería imposible obtener una comprensión fundamental de los procesos subyacentes involucrados, ", concluye Müller-Buschbaum.