Las células solares orgánicas son más baratas de producir y más flexibles que sus contrapartes hechas de silicio cristalino, pero no ofrecen el mismo nivel de eficiencia o estabilidad. Un grupo de investigadores dirigido por el profesor Christoph Brabec, director del Instituto de Materiales para Tecnología Electrónica y Energética (i-MEET) de la Cátedra de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), ha sido trabajando en la mejora de estas propiedades durante varios años.
Durante su tesis doctoral, Andrej Classen, que es un joven investigador de la FAU, demostró que se puede aumentar la eficiencia utilizando moléculas aceptoras luminiscentes. Su trabajo se ha publicado ahora en la revista Nature Energy .
El sol puede suministrar energía de radiación de alrededor de 1000 vatios por metro cuadrado en un día despejado en las latitudes europeas. Las células solares de silicio monocristalino convencionales convierten hasta una quinta parte de esta energía en electricidad, lo que significa que tienen una eficiencia de alrededor del 20 por ciento.
El grupo de trabajo del Prof. Brabec ostenta el récord mundial de eficiencia en un módulo fotovoltaico orgánico del 12,6% desde septiembre de 2019. El módulo multicelular desarrollado en Energie Campus Nürnberg (EnCN) tiene una superficie de 26 cm². “Si podemos lograr más del 20% en el laboratorio, posiblemente podríamos lograr el 15% en la práctica y convertirnos en una competencia real para las células solares de silicio”, dice el Prof. Brabec.
Aplicación flexible y alta eficiencia energética durante la fabricación.
Las ventajas de las células solares orgánicas son obvias: son delgadas y flexibles como una lámina y pueden adaptarse para varios sustratos. La longitud de onda a la que se absorbe la luz solar se puede “ajustar” mediante los macromódulos utilizados.
Una ventana de oficina recubierta con células solares orgánicas que absorben el espectro rojo e infrarrojo no solo filtraría la radiación térmica, sino que también generaría electricidad al mismo tiempo. Un criterio que adquiere cada vez más importancia ante el cambio climático es el período de funcionamiento tras el cual una célula solar genera más energía de la necesaria para su fabricación. Este llamado tiempo de recuperación de la energía depende en gran medida de la tecnología utilizada y de la ubicación del sistema fotovoltaico (PV).
Según los últimos cálculos del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE), El tiempo de recuperación de la energía de los módulos fotovoltaicos hechos de silicio en Suiza es de alrededor de 2,5 a 2,8 años. Sin embargo, este tiempo se reduce a sólo unos meses para las células solares orgánicas, según el Dr. Thomas Heumüller, investigador asociado de la Cátedra del Prof. Brabec.
Pérdida de rendimiento por separación de cargas
Comparada con una célula solar de silicio “tradicional”, su equivalente orgánico tiene una clara desventaja: la luz solar no produce inmediatamente carga para el flujo de corriente, sino más bien los llamados excitones en los que las cargas positivas y negativas aún están unidas. «Se requiere un aceptor que solo atraiga la carga negativa para activar la separación de cargas, que a su vez produce cargas gratuitas con las que se puede generar electricidad», explica el Dr. Heumüller.
Se requiere cierta fuerza impulsora para separar las cargas. Esta fuerza impulsora depende de la estructura molecular de los polímeros utilizados. Dado que ciertas moléculas de la clase de materiales fullereno tienen una alta fuerza impulsora, hasta ahora han sido la elección preferida de los aceptores de electrones en las células solares orgánicas.
Mientras tanto, sin embargo, Los científicos han descubierto que una fuerza impulsora alta tiene un efecto perjudicial sobre el voltaje. Esto significa que la salida de la celda solar disminuye, de acuerdo con la fórmula que se aplica a la corriente continua: la potencia es igual a la tensión por la corriente.
Andrej Classen quería averiguar qué tan baja debe ser la fuerza impulsora para lograr la separación completa de la carga del excitón. Para hacerlo, comparó combinaciones de cuatro polímeros donantes y cinco aceptores que ya han demostrado su potencial para su uso en células solares orgánicas. Classen los utilizó para producir 20 células solares en exactamente las mismas condiciones con una fuerza impulsora de casi cero a 0,6 electronvoltios.
Incremento del rendimiento con determinadas moléculas.
Los resultados de la medición proporcionaron la prueba de una teoría ya asumida en la investigación: un ‘equilibrio de Boltzmann’ entre excitones y cargas separadas, los llamados estados de transferencia de carga (CT). “Cuanto más se acerca la fuerza impulsora a cero, más se desplaza el equilibrio hacia los excitones”, dice el Dr. Larry Lüer, especialista en fotofísica del grupo de trabajo de Brabec. Esto significa que la investigación futura debería concentrarse en prevenir la descomposición del excitón, lo que significa aumentar su “vida útil” de excitación.
Síguenos en las redes sociales
