Nuevas células solares minimalistas y eficientes

¿Cuál es la molécula más simple capaz de convertir la energía solar en electricidad? Esa es la pregunta que se hizo un equipo del Instituto de tecnologías moleculares de Angers. Los investigadores han demostrado que las moléculas extremadamente simples, producidas en pocos pasos con muy buen rendimiento de síntesis pueden llegar a ser alternativas creíbles a moléculas más complejas y polímeros utilizados en la fabricación de células solares orgánicas. Este trabajo ha producido moléculas de bajo peso molecular con una eficiencia eléctrica superior al 4%. Así han mostrado como a través de la optimización de moléculas sencillas se puede pasar de la investigación básica a la producción industrial de dispositivos solares hechas de moléculas orgánicas.

Dado que desde el año 2000 hay una intensa competencia internacional que tiene como objetivo producir, a partir de moléculas orgánicas, células solares con rendimientos comparables a los de las células de silicio de paneles solares vendidos actualmente. De hecho, las células fotovoltaicas orgánicas deberían ser menos costosas de producir.

Actualmente se están estudiando dos enfoques en la fotovoltaica orgánica: el más común es el uso de polímeros. Sin embargo, estos materiales se componen de cadenas macromoleculares de diferentes longitudes que pueden causar problemas de reproducibilidad de sus propiedades electrónicas. Otro camino abierto en 2005 y recuperado por muchos laboratorios es utilizar moléculas orgánicas solubles de estructura claramente definida. Esta pista ha logrado recientemente eficiencias de conversión eléctricas de más de 7%, similares a las de las células a base de polímeros (8-9%).

Sin embargo, estas moléculas relativamente complejas son difíciles de producir: las más exitosas necesitan de hasta 12 etapas de síntesis con un rendimiento global menor del 0,10%, lo que es difícilmente compatible con una producción a escala industrial. Es por eso que los investigadores decidieron incorporar en el diseño, las limitaciones específicas de la industria en términos de rendimiento de síntesis, costo y medio ambiente.

El primer paso de su enfoque fue buscar las moléculas más simples con un efecto fotovoltaico interesante. De este modo, optaron por trabajar en una familia de moléculas a base de triarilaminas, que se pueden sintetizar en unos pocos pasos. Luego trataron de optimizar ciertas propiedades de estas moléculas: la capacidad de absorción de la luz, la energía, la estabilidad o la movilidad de los niveles de carga eléctrica. A partir de las estructuras minimalistas lograron una obra de ingeniería molecular, añadiendo, en su caso, ciertos tipos de enlaces o grupos químicos.

Los investigadores han desarrollado moléculas de bajo peso molecular con una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente un 4%. Este es uno de los más altos rendimientos con moléculas de estructura simple conseguido hasta ahora. Estas moléculas pueden ser sintetizados con excelentes rendimientos. La investigación, apoyada por grupos de la industria, continúa mejorando tanto el rendimiento de las células fotovoltaicas como de los los procesos de síntesis. Uno de los objetivos es reducir el uso de reactivos o solventes tóxicos y catalizadores caros para que estas moléculas pueden ser integradas en dispositivos fotovoltaicos y se pueden fabricar a gran escala.

Via CNRS