Un nuevo enfoque de diseño y materiales orgánicos especializados ayudan a mejorar la eficiencia de las células solares de lado a lado, transformando la generación de energía de lado a lado.

La energía solar es una de las principales fuentes de energía barata y renovable, y una herramienta esencial para ayudar a mitigar el empeoramiento de la crisis climática. El método más utilizado para convertir la energía solar en electricidad es a través de células solares, que generan una corriente eléctrica cuando se exponen a la luz solar. Por tanto, el desarrollo de células solares baratas, fiables y eficientes es de suma importancia para la transición de los combustibles fósiles a esta forma de energía limpia.

Las celdas solares convencionales generalmente se fabrican utilizando varios semiconductores, que son materiales diseñados para administrar y controlar el flujo de corriente eléctrica en dispositivos electrónicos. Los semiconductores orgánicos, materiales compuestos principalmente de átomos de carbono, son muy populares en el campo porque son abundantes en la naturaleza, asequibles para procesar a niveles industriales, y las células solares posteriores fabricadas con ellos son flexibles y transparentes.

Sin embargo, el problema es que su eficiencia, específicamente la velocidad a la que la luz solar entrante se convierte en energía utilizable, es limitada. Además, la mayoría de las moléculas orgánicas solo pueden generar electricidad cuando se exponen a la luz de ciertas longitudes de onda, lo que significa que para aprovechar todo el espectro solar, que incluye la radiación infrarroja y ultravioleta además de la luz visible, se suelen construir células solares orgánicas. utilizando un gran volumen. Varias películas diferentes, cada una sensible a una fracción del espectro de radiación solar.

«Las células fotovoltaicas orgánicas tradicionales tienen una estructura de sándwich, es decir, las películas orgánicas que generan corriente por la luz solar se intercalan verticalmente entre dos electrodos», explicó Masahiro Hiramoto, profesor de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales y la Universidad de Estudios Avanzados. en Japón. «Específicamente, en un sustrato de vidrio, el electrodo transparente, la película orgánica y el electrodo de metal se depositan secuencialmente en dirección vertical. Por lo tanto, la corriente inducida por la luz fluye en dirección vertical con respecto a la superficie del sustrato».

Dado que los diferentes semiconductores orgánicos responden de manera diferente a la luz solar, existe un impacto negativo en el diseño y el tamaño del «sándwich» que forma la llamada celda solar en tándem.

“En el caso de las celdas orgánicas columnares convencionales, existen severas limitaciones para la combinación de múltiples materiales porque la magnitud de la corriente generada por cada una de las diferentes capas orgánicas debe ser igual”, dijo Hiramoto. «Esta es una limitación severa para la fabricación de celdas en tándem».

Abordaje lateral

Para superar este obstáculo, los investigadores diseñaron un nuevo tipo de celda solar con una disposición de electrodos diferente con respecto al sándwich de película, eliminando cualquier restricción sobre el flujo de corriente a través de cada película. Este nuevo diseño ha sido bautizado como Célula solar lateral lateral, ya que la corriente ahora se ejecuta horizontalmente en lugar de verticalmente.

«Las células fotovoltaicas laterales contienen dos electrodos, que se depositan en los bordes del lado derecho e izquierdo de la película orgánica», explicó Hiramoto. «Por lo tanto, la corriente inducida por la luz en la película orgánica fluye en dirección lateral con respecto a la superficie del sustrato. Esto significa que un número infinito de capas orgánicas se pueden apilar libremente sin restricciones con el fin de utilizar todo el espectro solar». Este es un sueño de los científicos de células solares”.

Aunque esta disposición de electrodos permite una corriente diferente en cada película, todavía tenía algunos inconvenientes que el equipo abordó. Sus estudios Publicado en Condición física sólida a. Los espesores de película suelen ser del orden de nanómetros con una longitud de unos pocos milímetros (a veces centímetros). Por lo tanto, los electrones movidos por la luz entrante tienen que viajar una distancia mucho mayor para alcanzar los electrodos en las celdas solares de montaje lateral que en las celdas columnares convencionales.

Esta diferencia de distancia hace que la celda sea más sensible a la concentración de electrones ya una propiedad del material, como el movimiento del electrón o la velocidad a la que se mueve a través de una película.

«Se ha determinado que la distancia potencial para el flujo de corriente en las membranas orgánicas es de cientos de nanómetros debido a su baja movilidad», agregó Hiramoto. Por lo tanto, podemos fabricar celdas columnares solo porque la distancia del flujo de corriente es igual al espesor de la película (distancia entre dos electrodos), es decir, menos de 1 μm. Sin embargo, dado que los materiales orgánicos con un alto grado de movilidad se han desarrollado más Recientemente, la distancia potencial del flujo de corriente ha aumentado. La corriente en las películas orgánicas es del orden de un milímetro. Por lo tanto, ahora es más fácil fabricar células solares orgánicas de desplazamiento lateral».

estimulantes para mejorar la eficiencia

Para mejorar los diseños de celdas solares lado a lado existentes, Hiramoto y sus colegas agregaron impurezas intencionales a los materiales orgánicos, un proceso llamado dopaje. Las interacciones entre el semiconductor y la impureza deseada aumentan la cantidad de electrones libres que se pueden usar para generar una corriente eléctrica.

Los científicos trabajaron con un sándwich hecho de dos películas de semiconductores orgánicos de 100 nm de espesor conocidas como C8-BTBT y PTCDI-C8. El primero fue dopado con F₄TCNQ, y este último con Cs₂co₃que son buenos donantes de electrones.

«El dopaje, es decir, agregar una pequeña cantidad de una impureza que dona o acepta electrones de las capas orgánicas, da como resultado capas orgánicas que son ricas y pobres en electrones», explicó Hiramoto. La celda solar ha sido mejorada.

Los investigadores experimentaron con la cantidad de impurezas añadidas a las películas orgánicas y estudiaron su efecto en la generación actual. Como resultado, encontraron niveles óptimos de dopaje que casi duplicaron la corriente eléctrica generada por la luz incidente en sus celdas solares una al lado de la otra.

Las células solares de prueba de concepto tenían solo una fracción de milímetro de tamaño, y se necesita más trabajo antes de que esto pueda ampliarse y ponerse en práctica. Sin embargo, los científicos dicen que tienen la esperanza de que los avances en la ciencia de los materiales lo hagan posible en los próximos años.

Avance en el campo de la membresía [compounds] Hiramoto dijo. Mucha movilidad orgánica [materials], que permite que la corriente fluya por encima de la distancia de pedido en centímetros, se desarrollará dentro de 10 años. Entonces, la nueva celda solar orgánica existente se puede poner en práctica”.

Referencia: Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Anestesia de fotocélula lateral orgánicaSolidi a (2023), Estado de la física, DOI: 10.1002/pssa.202300108

Crédito de la imagen destacada: PublicDomainPictures en Pixabay