Impulsar las células solares laterales – Advanced Science News

Un nuevo enfoque de diseño y un material orgánico especializado ayudan a mejorar la eficiencia de las células solares laterales, transformando la producción de energía de su lado.

La energía solar se considera una de las principales fuentes de energía barata y renovable, y una herramienta esencial para ayudar a paliar la actual crisis climática. El método más utilizado para convertir la energía solar en electricidad es mediante el uso de células solares, que generan corriente eléctrica cuando se exponen a la luz solar. Por lo 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 células solares convencionales generalmente se fabrican utilizando varios semiconductores, 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 tan populares en este campo porque son abundantes en la naturaleza, asequibles para procesar a escala industrial y las células solares resultantes son flexibles y transparentes.

Sin embargo, el problema es que su eficiencia, especialmente la velocidad a la que convierten la luz solar entrante 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 utilizar todo el espectro solar, que incluye la radiación infrarroja y ultravioleta. Además de la luz visible, las células solares orgánicas suelen construirse utilizando una gran cantidad de diferentes películas, cada una sensible a una fracción del espectro de radiación solar.

“Las celdas fotovoltaicas orgánicas convencionales tienen una estructura de sándwich, es decir, las películas orgánicas que generan la corriente por la luz solar se intercalan verticalmente entre dos electrodos”, explicó Masahiro Hiramoto, profesor de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales y de la Universidad de Estudios Superiores. en Japón. Es decir, sobre el sustrato de vidrio, el electrodo transparente, las películas orgánicas y el contraelectrodo metálico se depositan secuencialmente en dirección vertical. Así, la corriente generada por la luz fluye en dirección vertical con respecto a la superficie del sustrato.

Dado que los diferentes semiconductores orgánicos reaccionan de manera diferente a la luz solar, existe un impacto negativo en el diseño y el tamaño del “sándwich”, que constituye lo que se conoce como celda solar en tándem.

“En el caso de las celdas orgánicas verticales convencionales, existe una limitación estricta para combinar 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 restricción severa para hacer células en tándem”.

Un enfoque lateral

Para superar este obstáculo, los investigadores diseñaron un nuevo tipo de celda solar con una disposición de electrodos diferente en comparación con la película sándwich, eliminando cualquier restricción en el flujo de corriente a través de cada película. Este nuevo diseño se ha denominado celda solar lateral porque la corriente ahora fluye horizontalmente en lugar de verticalmente.

“Las células fotovoltaicas orgánicas laterales tienen dos electrodos, que se depositan en los bordes derecho e izquierdo de la película orgánica”, explicó Hiramoto. “Así, la corriente generada por la luz en la película orgánica fluye en dirección lateral con respecto a la superficie del sustrato. Esto significa que se puede apilar libremente un número infinito de capas orgánicas sin limitación para utilizar todo el espectro solar. Es un sueño para los científicos de células solares.

Aunque esta disposición de electrodos permite una corriente diferente en cada película, todavía tiene algunos inconvenientes que el equipo abordó en su estudio Publicado en estado físico sólido un. Normalmente, el grosor de la película es del orden de un nanómetro con una longitud de unos pocos milímetros (a veces, centímetros). Por lo tanto, los electrones puestos en movimiento por la luz entrante tienen que viajar una distancia mucho mayor para alcanzar los electrodos en las celdas solares laterales en comparación con las celdas verticales convencionales.

Esta diferencia de distancia hace que la celda sea más sensible a la concentración de electrones ya las propiedades del material, como la movilidad de los electrones o la velocidad a la que se mueven a través de la película.

“La distancia posible para el flujo de corriente en películas orgánicas se ha limitado a varios cientos de nanómetros debido a su baja movilidad”, agregó Hiramoto. “Por lo tanto, solo podríamos fabricar celdas verticales ya que la distancia de paso de corriente es igual al espesor de la película (distancia entre dos electrodos), es decir, menos de 1 micrómetro. Sin embargo, desde que recientemente se han desarrollado materiales orgánicos con una movilidad muy alta, la distancia posible del flujo de corriente en las películas orgánicas se ha incrementado al orden de un milímetro. Por lo tanto, la celda solar orgánica lateral ahora se vuelve más fácil de fabricar.

Dopaje para ganar eficiencia

Para mejorar los diseños de celdas solares laterales existentes, Hiramoto y sus colegas agregaron deliberadamente impurezas a los materiales orgánicos, un proceso llamado dopaje. Las interacciones entre el semiconductor y las impurezas intencionales conducen a un aumento en la cantidad de electrones libres que pueden usarse para generar una corriente eléctrica.

Los científicos trabajaron con un sándwich hecho de dos películas semiconductoras orgánicas de 100 nanómetros de espesor llamadas C8-BTBT y PTCDI-C8. El primero estaba dopado con moléculas de F₄TCNQ, y este último con Cs₂CO₃que son buenos donantes de electrones.

“El dopaje, es decir, agregar la pequeña cantidad de impurezas que donan o aceptan electrones de las capas orgánicas, da como resultado capas orgánicas ricas en electrones y pobres en electrones”, explicó Hiramoto. “Como resultado, se mejora la generación actual y se potencia el rendimiento de las capas orgánicas de la célula solar.

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 laterales.

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 esperan que los avances en la ciencia de los materiales lo hagan posible en los próximos años.

“Avances en el campo de la agricultura orgánica [compounds] es muy rápido”, dijo Hiramoto. “Mucha bio con alta movilidad [materials], que permite el paso de corriente en una distancia del orden de centímetros, se desarrollaría en 10 años. Después de eso, la nueva celda solar orgánica actual podría ponerse en práctica.

Referencia: Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Células fotovoltaicas orgánicas laterales dopadasestado físico solidi a (2023), DOI: 10.1002/pssa.202300108

Crédito de imagen destacado: PublicDomainPictures en Pixabay