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Nov 18, 2023

Un estudio muestra por qué las células solares orgánicas se están degradando tan rápido

Los científicos de la Universidad de Cambridge ahora han revelado una razón importante por la cual

Los científicos de la Universidad de Cambridge ahora han revelado una razón importante por la que las células solares orgánicas se degradan rápidamente en el funcionamiento al aire libre. Las células solares orgánicas son una gran promesa para las aplicaciones de energía limpia. Sin embargo, los módulos fotovoltaicos fabricados con semiconductores orgánicos no mantienen su eficiencia durante el tiempo suficiente bajo la luz solar para aplicaciones en el mundo real.

El informe se ha publicado en la revista Joule.

La nueva perspectiva impulsará el diseño de materiales más estables para la energía fotovoltaica basada en semiconductores orgánicos, lo que permitirá la generación de electricidad barata y renovable.

Debido a las recientes mejoras en la eficiencia con la que las células solares hechas de semiconductores orgánicos (a base de carbono) pueden convertir la luz solar en electricidad, mejorar la estabilidad a largo plazo de estos dispositivos fotovoltaicos se está convirtiendo en un tema cada vez más importante.

Las aplicaciones del mundo real de la tecnología exigen que la eficiencia del dispositivo fotovoltaico se mantenga durante muchos años. Para abordar este problema clave, los investigadores han estudiado los mecanismos de degradación de los dos componentes utilizados en la capa de absorción de luz de las células solares orgánicas: los materiales "donante de electrones" y "aceptor de electrones". Estos dos componentes son necesarios para dividir el par electrón-hueco unido formado después de la absorción de un fotón en los electrones libres y los huecos que constituyen la corriente eléctrica.

La imagen muestra la progresión de los eventos a medida que una celda solar orgánica se degrada debido a la exposición. La investigación muestra qué problema descubrió el equipo y cómo se puede mejorar el diseño. Crédito de la imagen: Universidad de Cambridge. Para obtener más información, haga clic en el informe de investigación publicado en Joule. En la publicación, el periódico es de acceso abierto, sin un muro de pago.

En este nuevo estudio, un equipo internacional de investigadores dirigido por el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, ha considerado por primera vez las vías de degradación de los materiales donantes y aceptores de electrones. La investigación detallada del material donador de electrones distingue el trabajo de investigación actual de los estudios anteriores y proporciona nuevos conocimientos importantes para el campo.

Específicamente, la identificación de un proceso de desactivación ultrarrápido exclusivo del material donador de electrones no se había observado antes y proporciona un nuevo ángulo para considerar la degradación del material en las células solares orgánicas.

Para comprender cómo se degradaron estos materiales, los investigadores de Cavendish trabajaron como parte de un equipo internacional con científicos del Reino Unido, Bélgica e Italia. Juntos, combinaron estudios de estabilidad de dispositivos fotovoltaicos, donde la celda solar operativa está sujeta a una luz intensa que se asemeja mucho a la luz solar, con espectroscopía láser ultrarrápida realizada en Cambridge.

Mediante esta técnica láser, han podido identificar un nuevo mecanismo de degradación en el material donador de electrones que implica la torsión de la cadena del polímero. Como resultado, cuando el polímero retorcido absorbe un fotón, experimenta una vía de desactivación extremadamente rápida en escalas de tiempo de femtosegundos (una millonésima billonésima de segundo). Este proceso indeseable es lo suficientemente rápido como para superar la generación de electrones libres y huecos de un fotón, que los científicos pudieron correlacionar con la eficiencia reducida de la célula solar orgánica después de haber sido expuesta a la luz solar simulada.

El Dr. Alex Gillett, autor principal del artículo, comentó: "Fue interesante encontrar que algo tan aparentemente menor como la torsión de una cadena de polímero podría tener un efecto tan grande en la eficiencia de la celda solar. En el futuro, planeamos aprovechar nuestros hallazgos colaborando con grupos de química para diseñar nuevos materiales donantes de electrones con estructuras poliméricas más rígidas. Esperamos que esto reduzca la propensión del polímero a torcerse y, por lo tanto, mejore la estabilidad del dispositivo de células solares orgánicas".

Debido a sus propiedades únicas, las células solares orgánicas se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones para las que la fotovoltaica de silicio tradicional no es adecuada. Esto podría incluir ventanas generadoras de electricidad para invernaderos que transmiten los colores de luz requeridos para la fotosíntesis, o incluso energía fotovoltaica que podría enrollarse para facilitar el transporte y la generación de electricidad móvil. Por lo tanto, al identificar el mecanismo de degradación que debe resolverse, la investigación actual acerca directamente a la próxima generación de materiales y aplicaciones fotovoltaicas a la realidad.

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La energía solar orgánica tiene mucho más potencial que el señalado en el párrafo final. Y el problema de la longevidad ha sido un error durante años. Uno espera que esto sea una mejora masiva y podría serlo, pero los orgánicos tienen dificultades para mantenerse estables bajo la luz solar directa, por lo que esta podría ser la primera solución de muchas que podrían estar disponibles.

Sin embargo, este trabajo muestra que el interés por la investigación está generando respuestas. Teniendo en cuenta que las células orgánicas ofrecen una gama tan amplia de oportunidades con costos más bajos, hay muchas razones para pensar que el progreso continuará.

Esperemos que el trabajo de este equipo sea un "salto gigante" hacia adelante y que se envíen felicitaciones con grandes esperanzas de más progreso.

Por Brian Westenhaus a través de New Energy and Fuel

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