Por toda la promesa que han mostrado en el laboratorio, Las células solares de polímero todavía necesitan "ponerse en marcha" como las empleadas en la impresión de periódicos, de modo que se puedan fabricar de forma continua y económica grandes hojas de dispositivos fotovoltaicos aceptablemente eficientes. Las células solares de polímero ofrecen ventajas sobre sus contrapartes tradicionales basadas en silicio de muchas maneras, incluyendo menor costo, huella de carbono potencialmente menor y una mayor variedad de usos.

Los nuevos resultados de investigación informados por un equipo internacional dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) indican que el "punto óptimo" para las células solares poliméricas de producción masiva, una perspectiva tentadora durante décadas, puede ser mucho mayor de lo que dicta la tecnología convencional. sabiduría. En experimentos que utilizan una maqueta de un gran volumen, método de procesamiento de rollo a rollo, los investigadores produjeron células solares a base de polímeros con una "eficiencia de conversión de energía" mejor que el 9,5 por ciento, apenas por debajo del objetivo comercial mínimo del 10 por ciento.

Eso es casi tan bueno como los dispositivos de lotes pequeños fabricados en el laboratorio con recubrimiento giratorio, un método que produce películas de alta calidad en el laboratorio pero que no es práctico comercialmente ya que desperdicia hasta el 90 por ciento de la tinta inicial.

Algo sorprendente para los investigadores, sus versiones producidas en masa exhibían un empaquetamiento molecular y una textura que solo se parecía ligeramente a las de las variedades fabricadas en laboratorio, que, en el mejor de los casos, convierten alrededor del 11 por ciento de la luz solar incidente en energía eléctrica.

"La 'regla general' ha sido que las células solares de polímero de alto volumen deben parecerse a las fabricadas en el laboratorio en términos de estructura, organización y forma a escala nanométrica, "dijo Lee Richter, un físico del NIST que trabaja con polímeros funcionales. "Nuestros experimentos indican que los requisitos son mucho más flexibles de lo que se suponía, permitiendo una mayor variabilidad estructural sin sacrificar significativamente la eficiencia de conversión ".

"La fabricación eficiente de rollo a rollo es clave para lograr el bajo costo, producción de alto volumen que permitiría a la energía fotovoltaica escalar a una fracción significativa de la producción mundial de energía, "explicó He Yan, colaborador de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.

El equipo experimentó con un material de recubrimiento compuesto por un polímero fluorado y un fullereno (también conocido como "buckyball"). Con el nombre técnico PffBT4T-2OD, el polímero es atractivo para la producción a escala, logrando una eficiencia de conversión de energía reportada de más del 11 por ciento. En tono rimbombante, se puede aplicar en capas relativamente gruesas, lo que favorece el procesamiento de rollo a rollo.

Sin embargo, las células solares de alto rendimiento se produjeron con el método de recubrimiento por rotación, un proceso de lotes pequeños. En recubrimiento por centrifugación, el fluido se distribuye en el centro de un disco u otro sustrato, que gira para esparcir el material hasta lograr el espesor de recubrimiento deseado. Además de generar muchos residuos, el proceso es por partes, en lugar de continuo, y el tamaño del sustrato es limitado.

Por eso, el equipo de investigación optó por probar métodos de recubrimiento comercialmente relevantes, especialmente porque PffBT4T-2OD se puede aplicar en capas relativamente gruesas de 250 nanómetros y más, o aproximadamente del tamaño de un virus grande. Comenzaron con el revestimiento de la cuchilla, similar a sostener el filo de un cuchillo a una fracción del ancho de un cabello por encima de un sustrato de vidrio tratado mientras se desliza. pintar el PffBT4T-2OD sobre el sustrato.

Una serie de mediciones basadas en rayos X revelaron que la temperatura a la que se aplicó y se secó el PffBT4T-2OD influyó significativamente en la estructura del material del recubrimiento resultante, especialmente la orientación, espaciamiento y distribución de los cristales que se formaron.

Los sustratos recubiertos con cuchillas a 90 grados Celsius (194 grados F) fueron los de mayor rendimiento, logrando eficiencias de conversión de energía que superaron el 9.5 por ciento. Asombrosamente, a nivel nanométrico, los productos finales diferían significativamente de los dispositivos "campeones" con recubrimiento giratorio fabricados en el laboratorio. Las mediciones detalladas en tiempo real durante el recubrimiento de la cuchilla y el recubrimiento por rotación revelaron que las diferentes estructuras surgieron del enfriamiento rápido durante el recubrimiento por rotación frente a la temperatura constante durante el recubrimiento de la cuchilla.

"Las mediciones en tiempo real fueron fundamentales para desarrollar una comprensión adecuada de la cinética de formación de la película y la optimización final, "dijo Aram Amassian, colaborador de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah de Arabia Saudita.

Animado por los resultados, El equipo realizó mediciones preliminares del recubrimiento PffBT4T-2OD formado en la superficie de una lámina de plástico flexible. El recubrimiento se aplicó en la línea de recubrimiento de rollo a rollo de troquel con ranura de NIST, imitando directamente la producción a gran escala. Las mediciones confirmaron que las estructuras de material fabricadas con revestimiento de cuchilla y las fabricadas con revestimiento de matriz ranurada eran casi idénticas cuando se procesaban a las mismas temperaturas.

"Está claro que el tipo de método de procesamiento utilizado influye en la forma de los dominios y su distribución de tamaño en el recubrimiento final, pero estas morfologías claramente diferentes no necesariamente socavan el rendimiento, "dijo Harald Ade, colaborador de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Creemos que estos hallazgos proporcionan pistas importantes para el diseño de células solares de polímero optimizadas para el procesamiento de rollo a rollo".