Paneles solares delgados impresos con chorro de tinta
Las células solares, que dan forma a los paneles solares, pueden ahora fabricarse tan finas, ligeras y flexibles que podrían descansar sobre una pompa de jabón. Las nuevas células, que capturan eficientemente la energía de la luz, podrían ofrecer una forma alternativa de alimentar nuevos dispositivos electrónicos, como los parches médicos para la piel, donde las fuentes de energía convencionales no son adecuadas.
Células solares impresas. / © 2020 KAUST; Anastasia Serin
“Los tremendos avances en materia de piel electrónica para robots, sensores para dispositivos voladores y biosensores para detectar enfermedades se ven todos limitados en relación a las fuentes de energía que pueden llegar a utilizar”, dice Eloïse Bihar, en el equipo de Derya Baran, quien dirigió la investigación. “En lugar de baterías voluminosas o de una conexión a una red eléctrica, pensamos en utilizar células solares orgánicas ligeras y ultrafinas para recolectar la energía de la luz, ya sea en el interior o en el exterior”.
Hasta ahora, las células solares orgánicas ultrafinas se hacían típicamente por centrifugado o evaporación térmica, métodos que no son escalables y que limitan la geometría del dispositivo. Esta técnica implicaba el uso de un material transparente y conductor, pero frágil e inflexible, llamado óxido de indio y estaño (ITO), como electrodo. Para superar estas limitaciones, el equipo aplicó la impresión por chorro de tinta. “Formulamos tintas funcionales para cada una de las capas de la arquitectura de la célula solar”, dice Daniel Corzo, estudiante de doctorado del equipo de Baran.
En lugar de ITO, el equipo imprimió un polímero conductor transparente y flexible llamado PEDOT:PSS, o Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato). Las capas de los electrodos se intercalaron con un material fotovoltaico orgánico que capta la luz. Todo el dispositivo podía ser sellado dentro de parileno, una capa protectora flexible, impermeable y biocompatible.
Aunque la impresión por chorro de tinta es muy susceptible de ser ampliada y de fabricación a bajo costo, el desarrollo de las tintas funcionales fue un desafío, señala Corzo. “La impresión por inyección de tinta es una ciencia en sí misma”, dice. “Las fuerzas intermoleculares dentro del cartucho y la tinta deben ser superadas para expulsar las finas gotas desde la boquilla, que es muy pequeña. Los disolventes también juegan un papel importante una vez que la tinta se deposita porque el comportamiento de secado afecta a la calidad de la película”.
Después de optimizar la composición de la tinta para cada capa del dispositivo, las células solares se imprimieron en vidrio para probar su rendimiento. Alcanzaron una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 4,73 por ciento, superando el récord anterior del 4,1 por ciento para una célula totalmente impresa. Por primera vez, el equipo también demostró que podía imprimir una célula en un sustrato flexible ultrafino, alcanzando una PCE del 3,6 por ciento.
“Nuestros resultados suponen un peldaño más hacia una nueva generación de células solares versátiles, ultraligeras e impresas que pueden ser usadas como fuente de energía o integradas en dispositivos médicos implantables o basados en la piel”, dice Bihar.
