Afinidad en células solares orgánicas
La mayoría de nosotros estamos familiarizados con las células solares de silicio, que se pueden encontrar en los tejados de las casas modernas. Estas células están hechas de dos capas de silicio, que contienen diferentes átomos como el boro y el fósforo. Cuando se combinan, estas capas dirigen las cargas generadas por la luz solar absorbida hacia los electrodos; esta (foto)corriente puede ser entonces utilizada para alimentar dispositivos electrónicos.
Las moléculas de colorante en las células solares orgánicas modernas condujeron a una doble mejora de la eficiencia de las células solares orgánicas en comparación con los fullerenos, ampliamente utilizados. / MPI-P
La situación es algo diferente en las células solares orgánicas. Aquí, dos materiales orgánicos se mezclan entre sí, en lugar de estar dispuestos en una estructura de capas. Son mezclas de diferentes tipos de moléculas. A un tipo, el aceptador, le gusta tomar electrones del otro, el donante. Para cuantificar la probabilidad de que se produzca una “transferencia de electrones” entre estos materiales, se mide la llamada “afinidad electrónica” y la “energía de ionización” de cada material. Estas cantidades indican lo fácil que es añadir o extraer un electrón de una molécula. Además de determinar la eficiencia de las células solares orgánicas, la afinidad de los electrones y la energía de ionización también controlan otras propiedades de los materiales, como el color y la transparencia.
Al emparejar los materiales donantes y aceptadores, se crea una célula solar. En una célula solar orgánica, las partículas de luz (“fotones”) transfieren su energía a los electrones. Los electrones excitados dejan atrás cargas positivas, llamadas “agujeros”. Estos pares electrón-agujero se separan entonces en la interfaz entre los dos materiales, impulsados por las diferencias en la afinidad de los electrones y la energía de ionización.
Hasta ahora, los científicos asumían que tanto la afinidad de los electrones como la energía de ionización son igualmente importantes para la funcionalidad de la célula solar. Los investigadores de KAUST y MPI-P han descubierto ahora que en muchas mezclas donante-aceptador, es principalmente la diferencia de la energía de ionización entre los dos materiales lo que determina la eficiencia de la célula solar. La combinación de los resultados de los experimentos de espectroscopia óptica, realizados en el grupo de Frédéric Laquai en KAUST, así como las simulaciones por ordenador realizadas en el grupo de Denis Andrienko, MPI-P, en el departamento dirigido por Kurt Kremer, permitieron derivar reglas de diseño precisas para tintes moleculares, con el fin de maximizar la eficiencia de la célula solar.
“En el futuro, por ejemplo, sería concebible producir células solares transparentes que solo absorban la luz fuera del rango visible para los humanos, pero entonces con la máxima eficiencia en este rango”, dice Denis Andrienko, co-autor del estudio publicado en la revista Nature Materials. “Con tales células solares, frentes enteros de casas podrían ser utilizados como superficie activa”, añade Laquai.
Los autores prevén que estos estudios les permitirán alcanzar un 20% de eficiencia en las células solares, un objetivo que la industria tiene en mente para la aplicación rentable de la energía fotovoltaica orgánica.
