Las células solares de polímero son paneles solares livianos y flexibles que pueden usarse para dispositivos portátiles. Sin embargo, los disolventes de procesamiento halogenados tóxicos utilizados durante la fabricación de estas células solares han limitado su adopción generalizada.
Las alternativas a los disolventes de procesamiento halogenados no son tan solubles, por lo que requieren temperaturas más altas y tiempos de procesamiento más prolongados. Encontrar una manera de eliminar la necesidad de disolventes de procesamiento halogenados podría mejorar la eficiencia de las células solares orgánicas y hacer que las células solares de polímero sean una opción viable para los dispositivos portátiles.
En un artículo publicado en Nano Research Energy El 24 de julio, los investigadores describen cómo la mejora de las interacciones moleculares entre los donantes de polímeros y los aceptores de moléculas pequeñas mediante ingeniería de cadenas laterales puede reducir la necesidad de disolventes de procesamiento halogenados.
"La morfología de la mezcla de donantes de polímeros y aceptores de moléculas pequeñas se ve muy afectada por sus interacciones moleculares, que pueden determinarse por las energías interfaciales entre los materiales donadores y aceptores. Cuando sus valores de tensión superficial son similares, las energías interfaciales y las interacciones moleculares entre los donantes y Se espera que los aceptantes sean más favorables", afirmó Yun-Hi Kim, profesor de la Universidad Nacional de Gyeongsang en Jinju, República de Corea.
"Para mejorar la hidrofilicidad de los donantes de polímeros y reducir la desmezcla molecular, la ingeniería de cadenas laterales puede ser una vía plausible".
La ingeniería de cadenas laterales se produce cuando se añade un grupo químico, llamado cadena lateral, a la cadena principal de una molécula. Los grupos químicos de la cadena lateral afectan las propiedades de la molécula más grande.
Los investigadores teorizaron que la adición de cadenas laterales basadas en oligoetilenglicol (OEG) mejoraría la hidrofilicidad de los donantes de polímeros gracias a los átomos de oxígeno en las cadenas laterales. Una molécula con hidrofilicidad es atraída por el agua. Las diferencias en la hidrofilicidad de los donantes de polímeros y los aceptores de moléculas pequeñas pueden afectar la forma en que interactúan.
Con una mayor hidrofilicidad de los donantes de polímeros y mejores interacciones entre ellos y los aceptores de moléculas pequeñas, se pueden usar disolventes de procesamiento no halogenados sin sacrificar el rendimiento de la célula solar. De hecho, las células solares de polímero fabricadas con cadenas laterales basadas en OEG unidas a un donante de polímero basado en benzoditiofeno tuvieron una mayor eficiencia de conversión de energía, del 17,7 %, en comparación con el 15,6 %.
Para comparar los resultados, los investigadores diseñaron donantes de polímeros a base de benzoditiofeno con una cadena lateral OEG, cadenas laterales de hidrocarburos o cadenas laterales que eran 50 % de hidrocarburos y 50 % de OEG.
"Esto aclaró el efecto de la ingeniería de cadenas laterales en la morfología de la mezcla y el rendimiento de las células solares de polímeros procesadas con solventes no halogenados", dijo Kim. "Nuestros hallazgos demuestran que los polímeros con cadenas laterales OEG hidrofílicas pueden mejorar la miscibilidad con aceptores de moléculas pequeñas y mejorar la eficiencia de conversión de energía y la estabilidad del dispositivo de las células solares de polímero durante el procesamiento no halogenado".
Además de una mayor eficiencia de conversión de energía, las células solares de polímero con cadenas laterales basadas en OEG tenían una mayor estabilidad térmica. La estabilidad térmica es esencial para ampliar las células solares de polímero, por lo que los investigadores las calentaron a 120° Celsius y luego compararon la eficiencia de conversión de energía. Después de 120 horas de calentamiento, los polímeros con cadenas laterales de hidrocarburos tenían solo el 60 % de su eficiencia de conversión de energía inicial y tenían irregularidades en su superficie, mientras que la mezcla de hidrocarburo y OEG retuvo el 84 % de su eficiencia de conversión de energía inicial.
"Nuestros resultados pueden proporcionar una guía útil para diseñar donantes de polímeros que produzcan células solares de polímeros eficientes y estables utilizando un procesamiento con solventes no halogenados", afirmó Kim.
Otros contribuyentes incluyen a Soodeok Seo, Jin Su Park y Bumjoon J. Kim del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea; Jun-Young Park y Do-Yeong Choi de la Universidad Nacional de Gyeongsang; y Seungjin Lee del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea.
Más información: Soodeok Seo et al, Donantes de polímeros con cadenas laterales hidrófilas que permiten células solares de polímeros eficientes y térmicamente estables mediante procesamiento con disolventes no halogenados, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2022.9120088
Proporcionado por Tsinghua University Press
