Un estudio podría dar lugar a cambio de paradigma en la investigación de células solares orgánicas

Un nuevo estudio da una explicación acerca de cómo las células fotovoltáicas convierten la luz en electricidad.

Las células solares orgánicas a menudo se promocionan como alternativas ligeras y de bajo coste frente a los paneles solares rígidos hechos de silicio. En los últimos años se han realizado grandes mejoras en la eficiencia de dichas células, pero aún hay una cuestión fundamental sin resolver acerca de cómo estos dispositivos convierten la luz en electricidad, que es objeto de un acalorado debate. Ahora, un equipo de investigacción ha inclinado la balanza. Sus descubrimientos indican que la teoría predominante es incorrecta, y podría servir para dirigir los futuros esfuerzos en el diseño de materiales que estimulen el rendimiento de las células orgánicas. Ya se sabe que las células solares orgánicas son muy buenas, la cuestión es ¿por qué son tan buenas? La respuesta es controvertida.

Una típica célula solar orgánica consta de dos capas de semiconductores hechas de polímero de plástico y otros materiales flexibles. La células genera electricidad absorbiendo partículas de luz, o fotones. Cuando la célula absorbe luz, un fotón golpea a un electrón en un átomo de polímero, dejando tras de si un espacio libre, al cual los científicos denominan hueco. El electrón y el hueco inmediatamente forman un par enlazado denominado excitón, el cual se divide, permitiendo al electrón moverse independientemente del agujero creado por otro fotón absorbido. Este movimiento contínuo de electrones de agujero en agujero produce corriente eléctrica. Este estudio trata sobre el largo debate acerca de qué es lo que produce la división del excitón. Para generar corriente, necesitas separar el electrón y el hueco. Esto requiere de dos materiales semiconductores diferentes. Si el electrón es atraído por el material B más que por el material A, cae hacia el material B. En teoría, el electrón debería permanecer unido al hueco incluso tras caer. La cuestión fundamental que se ha debatido es cómo se divide ese estado enlazado.

Una explicación ampliamente aceptada es lo que se conocce como "efecto del excitón caliente". La idea es que el electrón porta energía extra cuando cae del material A al material B. Dicha energía añadida da al electrón ("caliente") excitado velocidad suficiente para escapar del agujero. Pero esa hipótesis no concueda con las pruebas experimentales. Se ha descubierto que el efecto del excitón caliente no existe. Se han medido diferentes emisiones ópticas de materiales semiconductores y se ha descubierto que no es necesaria energía extra para dividir el excitón. ¿Entonces qué es lo que realmente causa la separación de los pares electrón-hueco?

Realmente no se ha respondido aún a la cuestión. Se cree que la disposición desordenada de los polímeros plásticos en el semiconductor podría ayudar el electrón se escape. En un estudio reciente se descubrió que el desorden a nivel molecular realmente mejora el rendimiento de los polímeros semiconductores en células solares. Enfocándose en el desorden inherent de los polímeros plásticos, los investigadores podrían diseñar nuevos materiales que extraigan electrones del interfaz de célula solar donde coinciden las dos capas de semiconductores. En las células solares orgánicas, el interfaz siempre está más desordenado que en áreas más alejadas, lo que crea un gradiente natural que sorbe el electrón de las regiones desordenadas en las regiones ordenadas.

Las células solares usadas en el experimento tiene una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente el 9%. El equipo de investigación espera mejorar el rendimiento diseñando semiconductores que se aprovechen de la interacción entre orden y desorden.

Via Stanford