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Articulo de referencia

célula solar orgánica

Fig. 1. Esquema de células solares de plástico. PET – tereftalato de polietileno , ITO – óxido de indio y estaño , PEDOT:PSS – poli(3,4-etilendioxitiofeno) , capa activa (genera...

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Fig. 1. Esquema de células solares de plástico. PET – tereftalato de polietileno , ITO – óxido de indio y estaño , PEDOT:PSS – poli(3,4-etilendioxitiofeno) , capa activa (generalmente una mezcla de polímero:fulereno), Al – aluminio .

Una celda solar orgánica ( OSC [ 1 ] ) o celda solar de plástico es un tipo de celda fotovoltaica que utiliza electrónica orgánica , una rama de la electrónica que se ocupa de polímeros orgánicos conductores o pequeñas moléculas orgánicas, [ 2 ] para la absorción de luz y el transporte de carga para producir electricidad a partir de la luz solar mediante el efecto fotovoltaico . La mayoría de las celdas fotovoltaicas orgánicas son celdas solares de polímero .

Figura 2. Panel fotovoltaico orgánico fabricado por la empresa Solarmer.

Las moléculas utilizadas en las células solares orgánicas son procesables en solución a alto rendimiento y son baratas, lo que resulta en bajos costos de producción para fabricar un gran volumen. [ 3 ] Combinado con la flexibilidad de las moléculas orgánicas , las células solares orgánicas son potencialmente rentables para aplicaciones fotovoltaicas. [ 4 ] La ingeniería molecular ( por ejemplo, cambiar la longitud y el grupo funcional de los polímeros ) puede cambiar la brecha de banda , lo que permite la sintonización electrónica. El coeficiente de absorción óptica de las moléculas orgánicas es alto, por lo que se puede absorber una gran cantidad de luz con una pequeña cantidad de materiales, generalmente del orden de cientos de nanómetros. Las principales desventajas asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas son la baja eficiencia , la baja estabilidad y la baja resistencia en comparación con las células fotovoltaicas inorgánicas como las células solares de silicio .

En comparación con los dispositivos basados ​​en silicio , las células solares de polímero son ligeras (lo cual es importante para sensores autónomos pequeños), potencialmente desechables y económicas de fabricar (a veces mediante electrónica impresa ), flexibles, personalizables a nivel molecular y potencialmente con un menor impacto ambiental adverso. Las células solares de polímero también tienen el potencial de exhibir transparencia, lo que sugiere aplicaciones en ventanas, paredes, electrónica flexible , etc. En la figura 1 se muestra un ejemplo de dispositivo. Las desventajas de las células solares de polímero también son importantes: ofrecen aproximadamente un tercio de la eficiencia de los materiales duros y experimentan una degradación fotoquímica sustancial. [ 5 ]

Los problemas de estabilidad de las células solares de polímero [ 6 ] , combinados con su promesa de bajos costos [ 7 ] y su potencial para aumentar la eficiencia [ 8 ], las han convertido en un campo popular en la investigación de células solares. En 2015, las células solares de polímero alcanzaron eficiencias superiores al 10% mediante una estructura en tándem [ 9 ] . En 2023, la Universidad Politécnica de Hong Kong logró una nueva eficiencia récord del 19,3% [ 10 ] .

Física

Figura 3: Ejemplos de materiales fotovoltaicos orgánicos

Una celda fotovoltaica es un diodo semiconductor especializado que convierte la luz en electricidad de corriente continua (CC). Dependiendo de la banda prohibida del material absorbente de luz, las celdas fotovoltaicas también pueden convertir fotones de baja energía, infrarrojos (IR), o de alta energía, ultravioleta (UV), en electricidad de CC. Una característica común tanto de las moléculas pequeñas como de los polímeros (Fig. 3) utilizados como material absorbente de luz en fotovoltaicos es que todos tienen grandes sistemas conjugados . Un sistema conjugado se forma donde los átomos de carbono se unen covalentemente con enlaces simples y dobles alternados. Los electrones de los orbitales pz de estos hidrocarburos se deslocalizan y forman un orbital π enlazante deslocalizado con un orbital π* antienlazante . El orbital π deslocalizado es el orbital molecular ocupado de mayor energía ( HOMO ), y el orbital π* es el orbital molecular desocupado de menor energía ( LUMO ). En la física de semiconductores orgánicos, el HOMO actúa como banda de valencia, mientras que el LUMO funciona como banda de conducción . La separación energética entre los niveles de energía HOMO y LUMO se considera la brecha de banda de los materiales electrónicos orgánicos y suele estar en el rango de 1 a 4 eV . [ 11 ]

Toda la luz con energía superior a la banda prohibida del material puede ser absorbida, aunque existe una contrapartida al reducir dicha banda prohibida, ya que los fotones absorbidos con energías superiores a la banda prohibida liberarán térmicamente su exceso de energía, lo que resultará en voltajes y eficiencias de conversión de potencia más bajos. Cuando estos materiales absorben un fotón , se crea un estado excitado que se confina a una molécula o a una región de una cadena polimérica. Este estado excitado puede considerarse un excitón , o un par electrón-hueco unido por interacciones electrostáticas . En las células fotovoltaicas, los campos efectivos descomponen los excitones en pares electrón-hueco libres. Estos campos efectivos se generan creando una heterounión entre dos materiales diferentes. En la fotovoltaica orgánica, los campos efectivos descomponen los excitones provocando que el electrón caiga de la banda de conducción del absorbedor a la banda de conducción de la molécula aceptora. Es necesario que el material aceptor tenga un borde de banda de conducción inferior al del material absorbedor. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Las células solares de polímero suelen constar de una capa bloqueadora de electrones o huecos sobre un vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ITO), seguida de un donador de electrones y un aceptor de electrones (en el caso de células solares de heterounión masiva), una capa bloqueadora de huecos o electrones y un electrodo metálico en la parte superior. La naturaleza y el orden de las capas bloqueadoras, así como la naturaleza del electrodo metálico, dependen de si la célula sigue una arquitectura de dispositivo regular o invertida. En una célula invertida, las cargas eléctricas salen del dispositivo en la dirección opuesta a la de un dispositivo normal, ya que los electrodos positivo y negativo están invertidos. Las células invertidas pueden utilizar cátodos de un material más adecuado; las células fotovoltaicas orgánicas invertidas tienen una vida útil más larga que las células fotovoltaicas orgánicas de estructura regular y, por lo general, muestran eficiencias más altas en comparación con sus contrapartes convencionales. [ 16 ]

En las células solares de polímero de heterounión masiva, la luz genera excitones. Posteriormente, se produce una separación de carga en la interfaz entre una mezcla de donador y aceptor de electrones dentro de la capa activa del dispositivo. Estas cargas se transportan a los electrodos del dispositivo, donde fluyen fuera de la célula, realizan trabajo y luego reingresan al dispositivo por el lado opuesto. La eficiencia de la célula está limitada por varios factores, especialmente la recombinación no geminada . La movilidad de los huecos conduce a una conducción más rápida a través de la capa activa. [ 17 ] [ 18 ]

Las células fotovoltaicas orgánicas están compuestas de materiales donadores y aceptores de electrones, en lugar de uniones p-n de semiconductores . Las moléculas que forman la región donadora de electrones de las células fotovoltaicas orgánicas, donde se generan pares electrón-hueco de excitones , son generalmente polímeros conjugados que poseen electrones π deslocalizados que resultan de la hibridación de orbitales p del carbono. Estos electrones π pueden ser excitados por luz en o cerca de la parte visible del espectro desde el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de la molécula hasta el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), denotado por una transición π -π*. La brecha de energía entre estos orbitales determina qué longitud(es) de onda de luz pueden ser absorbidas .

A diferencia de un material de célula fotovoltaica cristalina inorgánica , con su estructura de bandas y electrones deslocalizados, los excitones en la fotovoltaica orgánica están fuertemente ligados con una energía entre 0,1 y 1,4 eV . Este fuerte ligamiento se produce porque las funciones de onda electrónicas en las moléculas orgánicas están más localizadas, y la atracción electrostática puede mantener unidos al electrón y al hueco como un excitón. El electrón y el hueco pueden disociarse proporcionando una interfaz a través de la cual disminuye el potencial químico de los electrones. El material que absorbe el fotón es el donante, y el material que adquiere el electrón se llama aceptor. En la Fig. 4, la cadena polimérica es el donante y el fullereno es el aceptor. Incluso después de la disociación, el electrón y el hueco pueden seguir unidos como un " par geminado ", y entonces se requiere un campo eléctrico para separarlos. El electrón y el hueco deben recolectarse en los contactos. Si la movilidad de los portadores de carga es insuficiente, los portadores no llegarán a los contactos y, en cambio, se recombinarán en sitios de atrapamiento o permanecerán en el dispositivo como cargas espaciales indeseables que se oponen al flujo de nuevos portadores. Este último problema puede ocurrir si las movilidades de electrones y huecos no coinciden. En ese caso, la fotocorriente limitada por carga espacial (SCLP) perjudica el rendimiento del dispositivo.

Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos se pueden fabricar con un polímero activo y un aceptor de electrones basado en fullereno. La iluminación de este sistema con luz visible provoca la transferencia de electrones del polímero a una molécula de fullereno. Como resultado, se forma una cuasipartícula fotoinducida , o polarón (P + ), en la cadena polimérica, y el fullereno se convierte en un anión radical ( C − 60 ). Los polarones son altamente móviles y pueden difundirse.

Tipos de unión

En las células solares orgánicas, las uniones son las interfaces entre las diferentes capas o materiales dentro de la estructura del dispositivo. Estas interfaces contribuyen a la separación y recolección de los portadores de carga (electrones y huecos) que se generan al absorber la luz solar. Las propiedades y estructuras de estas uniones afectan la eficiencia, la estabilidad y el rendimiento general de las células solares orgánicas.

El dispositivo fotovoltaico orgánico más simple presenta una heteroestructura planar (Fig. 1). Una película de material activo orgánico (polímero o molécula pequeña), de tipo donador o aceptor de electrones, se intercala entre contactos. Los excitones creados en el material activo pueden difundirse antes de recombinarse y separarse, y los huecos y electrones se difunden hacia su electrodo colector específico. Debido a que los portadores de carga tienen longitudes de difusión de solo 3 a 10 nm en semiconductores orgánicos amorfos típicos , las celdas planares deben ser delgadas, pero estas celdas delgadas absorben la luz con menor eficacia. Las heteroestructuras volumétricas (BHJ) solucionan este inconveniente. En una BHJ, una mezcla de materiales donadores y aceptores de electrones se moldea como una mezcla, que luego se separa en fases. Las regiones de cada material en el dispositivo están separadas por solo unos pocos nanómetros, una distancia adecuada para la difusión de portadores. Las BHJ requieren un control preciso de la morfología de los materiales a nanoescala. Las variables importantes incluyen los materiales, los disolventes y la relación de peso donador-aceptor. 

El siguiente paso lógico después de las heterouniones a granel (BHJ) son los nanomateriales ordenados para células solares, o heterouniones ordenadas (OHJ). Las OHJ minimizan la variabilidad asociada a las BHJ. Generalmente, las OHJ son híbridos de materiales inorgánicos ordenados y regiones orgánicas activas. Por ejemplo, se puede depositar un polímero fotovoltaico en los poros de una cerámica como el TiO₂ . Dado que los huecos aún deben difundirse a lo largo del poro a través del polímero hasta un contacto, las OHJ presentan limitaciones de espesor similares. Reducir el cuello de botella de la movilidad de los huecos es clave para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos OHJ.

Capa única

Figura 5: Esquema de una celda fotovoltaica orgánica de una sola capa.

Las células fotovoltaicas orgánicas de una sola capa son la forma más sencilla. Estas células se fabrican intercalando una capa de materiales electrónicos orgánicos entre dos conductores metálicos, generalmente una capa de óxido de indio y estaño (ITO) con una alta función de trabajo y una capa de un metal con una baja función de trabajo, como aluminio, magnesio o calcio. La estructura básica de una célula de este tipo se ilustra en la figura 5.

La diferencia de función de trabajo entre los dos conductores genera un campo eléctrico en la capa orgánica. Cuando la capa orgánica absorbe luz, los electrones se excitan al LUMO y dejan huecos en el HOMO, formando así excitones . El potencial creado por las diferentes funciones de trabajo ayuda a separar los pares de excitones, atrayendo los electrones hacia el electrodo positivo (un conductor eléctrico que se utiliza para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito) y los huecos hacia el electrodo negativo. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Ejemplos

En 1958 se descubrió que el efecto fotovoltaico o la creación de voltaje de una celda basada en ftalocianina  de magnesio (MgPc) —un compuesto macrocíclico con una estructura de anillo de átomos de nitrógeno y carbono alternados— tenía un fotovoltaje de 200 mV. [ 19 ] Una celda Al/MgPc/Ag obtuvo una eficiencia fotovoltaica del 0,01 % bajo iluminación a 690  nm. [ 20 ]

También se utilizaron polímeros conjugados en este tipo de celda fotovoltaica. Un dispositivo utilizó poliacetileno (Fig. 1) como capa orgánica, con Al y grafito , produciendo un voltaje de circuito abierto de 0,3  V y una eficiencia de recolección de carga del 0,3 %. [ 21 ] Una celda Al/poli(3-netiltiofeno)/Pt tuvo un rendimiento cuántico externo del 0,17 %, un voltaje de circuito abierto de 0,4  V y un factor de llenado de 0,3. [ 22 ] Una celda ITO/PPV/Al mostró un voltaje de circuito abierto de 1  V y una eficiencia de conversión de potencia del 0,1 % bajo iluminación de luz blanca. [ 23 ]

Asuntos

Las células solares orgánicas de una sola capa no funcionan bien. Presentan bajas eficiencias cuánticas (<1%) y bajas eficiencias de conversión de potencia (<0,1%). Un problema importante es que el campo eléctrico resultante de la diferencia entre los dos electrodos conductores rara vez es suficiente para separar los excitones. Con frecuencia, los electrones se recombinan con los huecos sin llegar al electrodo.

Bicapa

Figura 6: Esquema de una celda fotovoltaica orgánica multicapa.

Las celdas bicapa contienen dos capas entre los electrodos conductores (Fig. 6). Las dos capas tienen diferente afinidad electrónica y energías de ionización , por lo que se generan fuerzas electrostáticas en la interfaz entre ellas. La luz debe crear excitones en esta pequeña región cargada para una separación y recolección de carga eficiente. Los materiales se eligen para que las diferencias sean lo suficientemente grandes como para que estos campos eléctricos locales sean fuertes, lo que divide los excitones de manera mucho más eficiente que las celdas fotovoltaicas de una sola capa. La capa con mayor afinidad electrónica y potencial de ionización es el aceptor de electrones, y la otra capa es el donador de electrones. Esta estructura también se denomina heterounión donador-aceptor planar . [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Ejemplos

El C 60 tiene una alta afinidad electrónica, lo que lo convierte en un buen aceptor. La celda de doble capa AC 60 /MEH-PPV tuvo un factor de llenado relativamente alto de 0,48 y una eficiencia de conversión de potencia de 0,04% bajo iluminación monocromática. [ 24 ] Las celdas PPV/C 60 mostraron una eficiencia cuántica externa monocromática del 9%, una eficiencia de conversión de potencia del 1% y un factor de llenado de 0,48. [ 25 ]

Los derivados del perileno muestran una alta afinidad electrónica y estabilidad química. Una capa de ftalocianina de cobre (CuPc) como donador de electrones y un derivado tetracarboxílico de perileno como aceptor de electrones, fabricó una celda con un factor de llenado tan alto como 0,65 y una eficiencia de conversión de potencia del 1% bajo iluminación AM2 simulada. [ 26 ] Halls et al. fabricaron una celda con una capa de bis(fenetilimido) perileno sobre una capa de PPV como donador de electrones. Esta celda tuvo una eficiencia cuántica externa máxima del 6% y una eficiencia de conversión de potencia del 1% bajo iluminación monocromática, y un factor de llenado de hasta 0,6. [ 27 ]

Asuntos

La longitud de difusión de los excitones en materiales electrónicos orgánicos suele ser del orden de 10  nm. Para que la mayoría de los excitones se difundan hasta la interfaz de las capas y se dividan en portadores de carga, el espesor de la capa debe ser similar a la longitud de difusión. Sin embargo, una capa de polímero generalmente requiere un espesor de al menos 100  nm para absorber suficiente luz. Con un espesor tan grande, solo una pequeña fracción de los excitones puede alcanzar la interfaz de la heterounión.

Heterounión discreta

Una estructura de tres capas (dos aceptoras y una donadora) sin fulerenos alcanzó una eficiencia de conversión del 8,4 %. Esta implementación produjo altos voltajes de circuito abierto, absorción en el espectro visible y altas corrientes de cortocircuito. La eficiencia cuántica superó el 75 % entre las longitudes de onda de 400  nm y 720  nm, con un voltaje de circuito abierto de alrededor de 1 V. [ 28 ]

Heterounión volumétrica

Figura 7: Esquema de una celda fotovoltaica de unión dispersa.

Las heteroestructuras volumétricas tienen una capa de absorción que consiste en una mezcla a nanoescala de materiales donadores y aceptores. Los tamaños de dominio de esta mezcla son del orden de nanómetros, lo que permite que los excitones con tiempos de vida cortos alcancen una interfaz y se disocien debido a la gran área interfacial donador-aceptor. [ 29 ] Sin embargo, las heteroestructuras volumétricas eficientes necesitan mantener tamaños de dominio suficientemente grandes para formar una red de percolación que permita que los materiales donadores alcancen el electrodo de transporte de huecos (Electrodo 1 en la Fig. 7) y los materiales aceptores alcancen el electrodo de transporte de electrones (Electrodo 2). Sin esta red de percolación, las cargas podrían quedar atrapadas en un dominio rico en donadores o aceptores y sufrir recombinación. Las heteroestructuras volumétricas tienen una ventaja sobre las estructuras fotoactivas en capas porque pueden hacerse lo suficientemente gruesas para una absorción de fotones efectiva sin el difícil procesamiento que implica la orientación de una estructura en capas, manteniendo un nivel de rendimiento similar.

Las heteroestructuras volumétricas se crean comúnmente mediante la formación de una solución que contiene los dos componentes, el moldeo ( por ejemplo, por goteo y recubrimiento por centrifugación ) y luego la separación de las dos fases, generalmente con la ayuda de un paso de recocido. Los dos componentes se autoensamblan en una red interpenetrante que conecta los dos electrodos. [ 30 ] Normalmente están compuestas por un donador basado en una molécula conjugada y un aceptor basado en fullereno . La morfología nanoestructural de las heteroestructuras volumétricas tiende a ser difícil de controlar, pero es fundamental para el rendimiento fotovoltaico.

Tras la captura de un fotón, los electrones se mueven hacia los dominios aceptores, luego son transportados a través del dispositivo y recolectados por un electrodo, mientras que los huecos se mueven en la dirección opuesta y son recolectados en el otro lado. Si la dispersión de los dos materiales es demasiado fina, se producirá una transferencia de carga deficiente a través de la capa. [ 13 ] [ 14 ] [ 19 ] [ 31 ]

La mayoría de las células de heterounión masiva utilizan dos componentes, aunque también se han explorado células de tres componentes. El tercer componente, un polímero donador secundario de tipo p, absorbe la luz en una región diferente del espectro solar. En teoría, esto aumenta la cantidad de luz absorbida. Estas células ternarias funcionan mediante uno de tres mecanismos distintos: transferencia de carga, transferencia de energía o acoplamiento en paralelo.

En la transferencia de carga, ambos donantes contribuyen directamente a la generación de portadores de carga libres. Los huecos pasan a través de un solo dominio donante antes de ser recolectados en el ánodo. En la transferencia de energía, solo un donante contribuye a la producción de huecos. El segundo donante actúa únicamente para absorber luz, transfiriendo energía adicional al primer material donante. En el acoplamiento en paralelo, ambos donantes producen excitones de forma independiente, que luego migran a sus respectivas interfaces donante/aceptor y se disocian. [ 32 ]

Ejemplos

Los fullerenos como el C60 y sus derivados se utilizan como materiales aceptores de electrones en células fotovoltaicas de heterounión masiva. Una célula con la mezcla de MEH-PPV y un derivado de C60 metano-funcionalizado como heterounión, ITO y Ca como electrodos [ 33 ] mostró una eficiencia cuántica del 29% y una eficiencia de conversión de potencia del 2,9% bajo iluminación monocromática. Reemplazar el MEH-PPV con P3HT produjo un rendimiento cuántico del 45% bajo una  polarización inversa de 10 V. [ 34 ] [ 35 ] Avances adicionales en la modificación del aceptor de electrones han dado como resultado un dispositivo con una eficiencia de conversión de potencia del 10,61% con una mezcla de PC71BM como aceptor de electrones y PTB7-Th como donador de electrones. [ 36 ]

Las mezclas de polímeros también se utilizan en células fotovoltaicas de heterounión dispersa. Una mezcla de CN-PPV y MEH-PPV con Al e ITO como electrodos, produjo una eficiencia máxima de conversión de potencia monocromática del 1 % y un factor de llenado de 0,38. [ 37 ] [ 38 ]

Las células fotovoltaicas sensibilizadas con colorantes también pueden considerarse ejemplos importantes de este tipo.

Asuntos

Los fullerenos, como el PC 71 BM, suelen ser los materiales aceptores de electrones que se encuentran en las células solares de heterounión masiva de alto rendimiento. Sin embargo, estos materiales aceptores de electrones absorben muy débilmente la luz visible, lo que reduce la fracción de volumen ocupada por el material donador de electrones, que absorbe fuertemente. Además, los fullerenos tienen una escasa capacidad de ajuste electrónico, lo que limita el desarrollo de sistemas conjugados con estructuras electrónicas más atractivas para voltajes más altos. Recientemente, se han realizado investigaciones para intentar reemplazar estos fullerenos con moléculas orgánicas que puedan ajustarse electrónicamente y contribuir a la absorción de luz. [ 39 ]

heterounión graduada

El donador y el aceptor de electrones se mezclan de tal manera que el gradiente es gradual. Esta arquitectura combina la corta distancia de recorrido de los electrones en la heterounión dispersa con la ventaja del gradiente de carga de la tecnología de bicapa. [ 40 ] [ 41 ]

Ejemplos

Una celda con una mezcla de CuPc y C 60 mostró una eficiencia cuántica del 50 % y una eficiencia de conversión de potencia del 2,1 % utilizando una iluminación solar simulada AM1.5G de 100  mW/cm² para una heterounión graduada. [ 42 ]

Unión continua

De forma similar a la heterounión gradual, el concepto de unión continua busca lograr una transición gradual de un donador de electrones a un aceptor de electrones. Sin embargo, el material aceptor se prepara directamente a partir del polímero donador en una etapa de modificación posterior a la polimerización. [ 43 ]

Producción

Dado que su capa activa determina en gran medida la eficiencia del dispositivo, la morfología de este componente recibió mucha atención. [ 44 ]

Si un material es más soluble en el disolvente que el otro, se depositará primero sobre el sustrato , provocando un gradiente de concentración a través de la película. Esto se ha demostrado para dispositivos de poli-3-hexiltiofeno (P3HT) y éster metílico del ácido fenil- C61- butírico ( PCBM ), donde el PCBM tiende a acumularse hacia la parte inferior del dispositivo tras el recubrimiento por centrifugación a partir de soluciones de ODCB. [ 45 ] Este efecto se observa porque el componente más soluble tiende a migrar hacia la fase "rica en disolvente" durante el proceso de recubrimiento, acumulándose hacia la parte inferior de la película, donde el disolvente permanece durante más tiempo. El espesor de la película generada afecta a la segregación de fases porque la dinámica de cristalización y precipitación es diferente para soluciones más concentradas o velocidades de evaporación más rápidas (necesarias para construir dispositivos más gruesos). El enriquecimiento de P3HT cristalino más cerca del electrodo colector de huecos solo se puede lograr para  capas de P3HT/PCBM relativamente delgadas (100 nm). [ 46 ]

Los gradientes en la morfología inicial se generan principalmente por la velocidad de evaporación del disolvente y las diferencias de solubilidad entre el donante y el aceptor dentro de la mezcla. Esta dependencia de la solubilidad se ha demostrado claramente utilizando derivados de fullereno y P3HT. [ 47 ] Al usar disolventes que se evaporan a una velocidad más lenta (como el clorobenceno (CB) o el diclorobenceno (DCB)), se pueden obtener mayores grados de separación vertical o agregación, mientras que los disolventes que se evaporan más rápidamente producen una separación vertical mucho menos efectiva. Los gradientes de solubilidad más grandes deberían conducir a una separación vertical más efectiva, mientras que los gradientes más pequeños deberían conducir a películas más homogéneas. Estos dos efectos se verificaron en células solares de P3HT:PCBM. [ 48 ] [ 49 ]

También se estudió la velocidad de evaporación del disolvente, así como los procedimientos posteriores de recocido térmico o con vapor de disolvente. [ 50 ] Las mezclas como P3HT:PCBM parecen beneficiarse de los procedimientos de recocido térmico, mientras que otras, como PTB7:PCBM, no parecen mostrar ningún beneficio. [ 51 ] En P3HT, el beneficio parece provenir de un aumento de la cristalinidad de la fase P3HT que se genera a través de una expulsión de moléculas de PCBM desde dentro de estos dominios. Esto se ha demostrado a través de estudios de miscibilidad de PCBM en P3HT, así como cambios en la composición de dominios en función de los tiempos de recocido. [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]

La hipótesis anterior, basada en la miscibilidad, no explica completamente la eficiencia de los dispositivos, ya que en los dispositivos de heteroestructura masiva nunca existen fases amorfas puras de los materiales donadores o aceptores. Un artículo de 2010 [ 55 ] sugirió que los modelos actuales, que asumen fases puras e interfaces discretas, podrían fallar debido a la ausencia de regiones amorfas puras. Dado que los modelos actuales asumen la separación de fases en las interfaces sin considerar la pureza de fase, es posible que sea necesario modificarlos.

El procedimiento de recocido térmico varía según el momento exacto en que se aplica. Dado que la migración vertical de especies está determinada en parte por la tensión superficial entre la capa activa y el aire u otra capa, el recocido antes o después de la deposición de capas adicionales (generalmente el cátodo metálico) afecta el resultado. En el caso de las células solares de P3HT:PCBM, la migración vertical mejora cuando las células se recocen después de la deposición del cátodo metálico.

La acumulación de donantes o aceptores junto a las capas adyacentes podría ser beneficiosa, ya que estas acumulaciones pueden generar efectos de bloqueo de huecos o electrones que podrían mejorar el rendimiento del dispositivo. En 2009, se demostró que la diferencia en la distribución vertical en las células solares de P3HT:PCBM causaba problemas con la movilidad de los electrones, lo que resultaba en eficiencias de dispositivo muy bajas. [ 56 ] Cambios simples en la arquitectura del dispositivo (recubrimiento por centrifugación de una capa delgada de PCBM sobre el P3HT) mejoran enormemente la reproducibilidad de la célula, al proporcionar una separación vertical reproducible entre los componentes del dispositivo. Dado que se requiere un mayor contacto entre el PCBM y el cátodo para obtener mejores eficiencias, esto aumenta considerablemente la reproducibilidad del dispositivo.

Según el análisis de dispersión de neutrones, las mezclas de P3HT:PCBM se han descrito como "ríos" (regiones de P3HT) interrumpidos por "corrientes" (regiones de PCBM). [ 57 ]

Avances en las técnicas de crecimiento

Las películas orgánicas para aplicaciones fotovoltaicas se depositan principalmente mediante recubrimiento por centrifugación y deposición en fase gaseosa. Sin embargo, cada método presenta ciertas desventajas. La técnica de recubrimiento por centrifugación permite recubrir superficies más grandes a alta velocidad, pero el uso de disolventes para una sola capa puede degradar la capa de polímero ya existente. Otro problema radica en la estructuración del sustrato para el dispositivo, ya que el recubrimiento por centrifugación da como resultado el recubrimiento de todo el sustrato con un solo material.

evaporación térmica al vacío

Figura 9: Evaporación térmica al vacío (a) y deposición de vapor de fase orgánica (b)

Otra técnica de deposición es la evaporación térmica al vacío (VTE), que consiste en calentar un material orgánico en vacío. El sustrato se coloca a varios centímetros de la fuente para que el material evaporado se deposite directamente sobre él, como se muestra en la figura 9(a). Este método es útil para depositar múltiples capas de diferentes materiales sin interacción química entre ellas. Sin embargo, a veces se presentan problemas con la uniformidad del espesor de la película y el dopaje uniforme en sustratos de gran superficie. Además, los materiales que se depositan en la pared de la cámara pueden contaminar las deposiciones posteriores. Esta técnica de "línea de visión" también puede crear agujeros en la película debido al sombreado, lo que provoca un aumento de la resistencia en serie del dispositivo y un cortocircuito. [ 58 ]

deposición en fase de vapor orgánico

La deposición en fase de vapor orgánico (OVPD), mostrada en la figura 9(b), permite un mejor control de la estructura y morfología de la película que la evaporación térmica al vacío. El proceso consiste en la evaporación del material orgánico sobre un sustrato en presencia de un gas portador inerte. La morfología de la película resultante se puede ajustar modificando el caudal del gas y la temperatura de la fuente. Se pueden obtener películas uniformes reduciendo la presión del gas portador, lo que aumenta la velocidad y el recorrido libre medio del gas, y como resultado, disminuye el espesor de la capa límite. Las celdas producidas mediante OVPD no presentan problemas relacionados con la contaminación por partículas que salen de las paredes de la cámara, ya que estas se encuentran calientes e impiden que las moléculas se adhieran a ellas y formen una película.

Otra ventaja sobre VTE es la uniformidad en la tasa de evaporación. Esto ocurre porque el gas portador se satura con los vapores del material orgánico que salen de la fuente y luego se mueve hacia el sustrato enfriado, Fig. 9(b). Dependiendo de los parámetros de crecimiento (temperatura de la fuente, presión base y flujo del gas portador), la película depositada puede ser cristalina o amorfa. Los dispositivos fabricados con OVPD muestran una mayor densidad de corriente de cortocircuito que los fabricados con VTE. Una capa adicional de heterounión donador-aceptor en la parte superior de la celda puede bloquear los excitones, permitiendo la conducción de electrones; lo que resulta en una mayor eficiencia de la celda. [ 58 ]

Efectos del disolvente

Las condiciones para el recubrimiento por centrifugación y la evaporación afectan la eficiencia del dispositivo. [ 59 ] [ 60 ] El disolvente y los aditivos influyen en la morfología donador-aceptor. [ 61 ] Los aditivos ralentizan la evaporación, lo que conduce a polímeros más cristalinos y, por lo tanto, a mejores conductividades y eficiencias de huecos. Los aditivos típicos incluyen 1,8-octanoditiol, orto-diclorobenceno , 1,8-diiodooctano (DIO) y nitrobenceno . [ 48 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] El efecto DIO se atribuyó a la solubilización selectiva de los componentes de PCBM, modifica fundamentalmente la distancia de salto promedio de los electrones y, por lo tanto, mejora la movilidad de los electrones. [ 65 ] Los aditivos también pueden conducir a grandes aumentos en la eficiencia de los polímeros. [ 66 ] Para las células solares HXS-1/PCBM, el efecto se correlacionó con la generación de carga, el transporte y la estabilidad de almacenamiento. [ 67 ] Otros polímeros como el PTTBO también se benefician significativamente del DIO, alcanzando valores de PCE de más del 5% desde alrededor del 3,7% sin el aditivo.

Las células solares de polímero fabricadas con cloronaftaleno (CN) como cosolvente presentan una mayor eficiencia que las fabricadas con la solución de clorobenceno puro, más convencional. Esto se debe a que la morfología donador-aceptor cambia, lo que reduce la separación de fases entre el polímero donador y el fullereno. Como resultado, esto se traduce en una alta movilidad de huecos. Sin cosolventes, se forman grandes dominios de fullereno, lo que disminuye el rendimiento fotovoltaico de la célula debido a la agregación del polímero en la solución. Esta morfología se origina por la separación de fases líquido-líquido durante el secado; la evaporación del solvente provoca que la mezcla entre en la región espinodal, donde se producen fluctuaciones térmicas significativas. Los grandes dominios impiden la recolección eficiente de electrones (disminuyendo la PCE). [ 68 ]

Pequeñas diferencias en la estructura del polímero también pueden provocar cambios significativos en el empaquetamiento cristalino que inevitablemente afectan la morfología del dispositivo. El PCPDTBT difiere del PSBTBT debido a la diferencia en el átomo puente entre los dos polímeros (C frente a Si), lo que implica que se pueden lograr mejores morfologías con células solares de PCPDTBT:PCBM que contienen aditivos, a diferencia del sistema Si, que logra buenas morfologías sin la ayuda de sustancias adicionales. [ 69 ]

Células autoensambladas

Se investigó la química supramolecular , utilizando moléculas donadoras y aceptoras que se ensamblan mediante recubrimiento por centrifugación y calentamiento. La mayoría de los ensamblajes supramoleculares emplean moléculas pequeñas. [ 70 ] [ 71 ] Los dominios donadores y aceptores en una estructura tubular parecen ideales para células solares orgánicas. [ 72 ]

Los polímeros de dibloque que contienen fullereno producen células solares orgánicas estables tras el recocido térmico. [ 73 ] Se obtuvieron células solares con morfologías prediseñadas al introducir interacciones supramoleculares adecuadas. [ 74 ]

Los avances en los BCP que contienen derivados de politiofeno dan como resultado células solares que se ensamblan en redes bien definidas. [ 75 ] Este sistema exhibe una PCE del 2,04 %. Los enlaces de hidrógeno guían la morfología.

La eficiencia de los dispositivos basados ​​en enfoques de copolímeros aún no ha superado la barrera del 2%, mientras que los dispositivos de heterounión masiva exhiben eficiencias >7% en configuraciones de unión simple. [ 76 ]

Los copolímeros de bloque de varilla-espiral injertados con fullereno se han utilizado para estudiar la organización de dominios. [ 77 ]

Los enfoques supramoleculares para las células solares orgánicas permiten comprender las fuerzas macromoleculares que impulsan la separación de dominios.

Celdas de polímero transparente

Las PSC transparentes o semitransparentes permiten la absorción de fotones de baja o alta energía fuera del espectro visible, optimizando así sus capacidades de aprovechamiento de la luz solar y cubriendo un espectro de absorción más amplio. [ 78 ] [ 79 ] Este tipo de PSC son ideales para capturar fotones infrarrojos cercanos o ultravioleta debido a su baja sensibilidad inherente a los fotones dentro del espectro visible. Las PSC típicas utilizan electrodos metálicos opacos que limitan su transparencia y, por lo tanto, su rendimiento. [ 78 ] La capa absorbente de las PSC es intrínsecamente semitransparente. [ 80 ] Por lo tanto, un enfoque para lograr una PSC visiblemente transparente es modificar el electrodo superior para hacerlo más transparente. Se han utilizado materiales como ITO, metales ultrafinos, rejillas metálicas, grafeno y nanotubos de carbono para fabricar electrodos superiores semitransparentes. [ 81 ] [ 82 ] Sin embargo, el rendimiento de las PSC transparentes ha demostrado ser inferior en comparación con sus contrapartes de electrodos opacos. [ 83 ] Cuando el electrodo superior se vuelve transparente, la capacidad de la celda para atrapar el campo electromagnético en la capa absorbente disminuye, lo que resulta en una baja PCE. Actualmente se está llevando a cabo una gran cantidad de investigación para mejorar la PCE de dichas celdas. [ 81 ] Este tipo de PSC se ha aplicado a sistemas fotovoltaicos integrados en edificios, dispositivos en tándem y electrónica portátil. [ 78 ] [ 82 ] [ 83 ]

Celdas de polímero infrarrojas

Las células infrarrojas absorben preferentemente la luz en el rango infrarrojo en lugar de las longitudes de onda visibles. Un estudio de 2010 desarrolló células solares de perovskita (PSC) transparentes al infrarrojo con un electrodo superior de película de nanotubos de carbono (CNT) en la parte posterior y una capa de vidrio ITO en la parte frontal, lo que permite la transmitancia óptica desde ambos lados de la célula. Se colocó una capa de óxido de zinc (ZnO) sobre el ITO, y se añadió una capa de P3HT:PCBM al ZnO, creando así una célula ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (de abajo hacia arriba). Se observó que tanto el electrodo superior de CNT como el electrodo inferior de ITO presentaban una transmitancia del 80 % en el espectro de 500  nm a 2,5  µm. La célula en sí tenía una transmitancia óptica del 80 % en el rango de 670  nm a 1,2  µm y del 60 % en el rango de 1,2  µm a 2,5  µm. Por el contrario, una célula de control con un electrodo superior de plata no presentó transmitancia en este espectro. Además, la celda tenía una transmitancia relativamente baja en la región visible debido a la alta absorbancia visible de la capa de P3HT:PCBM. Dichas celdas pueden aplicarse a dispositivos en tándem y al ensamblaje vertical de PSC. [ 78 ]

En 2012, las celdas infrarrojas presentaban una transparencia a la luz visible de casi el 70 %. Se afirma que estas celdas pueden fabricarse en grandes volúmenes a bajo costo mediante procesamiento en solución. Las celdas emplean películas compuestas de nanocables de plata y dióxido de titanio como electrodo superior , reemplazando los electrodos metálicos opacos convencionales. Con esta combinación, se logró una eficiencia de conversión de energía del 4 %. [ 84 ]

En 2014, se fabricaron células solares de polímero de infrarrojo cercano basadas en un copolímero de naftoditiofeno diimida y bitiofeno (PNDTI-BT-DT) en combinación con PTB7 como donador de electrones. Tanto el PNDTI-BT-DT como el PTB7 formaron una estructura cristalina en las películas de la mezcla similar a la de las películas puras, lo que dio lugar a una generación de carga eficiente aportada por ambos polímeros. [ 85 ]

Gran parte de la investigación se ha centrado en el desarrollo de un electrodo superior transparente para células solares de perovskita (PSC). Sin embargo, un estudio de 2017 exploró la optimización de la capa activa de PSC semitransparentes. Los investigadores propusieron una PSC semitransparente con eficiencia mejorada que utiliza tanto un polímero donador de banda prohibida estrecha, PTB7-Th, como un aceptor no fullerénico, IHIC. Los resultados de este estudio mostraron que la PSC propuesta exhibió alta transmitancia y absorción en el espectro infrarrojo, pero baja absorción en el espectro visible. Esta célula demostró ser relativamente estable y tener una eficiencia de conversión de potencia (PCE) máxima del 9,77 %, que, a fecha de 2017, es el valor de PCE más alto reportado. [ 86 ]

Comportamiento típico de corriente-voltaje y eficiencia de conversión de potencia

Las células fotovoltaicas orgánicas, al igual que las inorgánicas, se caracterizan generalmente mediante análisis de corriente-voltaje. [ 87 ] Este análisis proporciona múltiples valores de métricas del dispositivo que se utilizan para comprender su rendimiento. Una de las métricas más importantes es la eficiencia de conversión de potencia (PCE).

Curva de corriente-voltaje de un sistema fotovoltaico orgánico

La PCE (η) es proporcional al producto de la corriente de cortocircuito (J SC ), la tensión de circuito abierto (V OC ) y el factor de llenado (FF), todos los cuales se pueden determinar a partir de una curva de corriente-tensión.

η=Vjefe×JCAROLINA DEL SUR×FFPAGen{\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{OC}}\times J_{\text{SC}}\times FF}{P_{\text{in}}}}}

Donde P in es la potencia solar incidente.

La corriente de cortocircuito (Jsc) es el valor máximo de generación de fotocorriente. [ 88 ] Corresponde al valor de la intersección con el eje y de la curva estándar de corriente-voltaje, donde la corriente se representa en el eje y y el voltaje en el eje x.  En las células solares orgánicas, la corriente de cortocircuito puede verse afectada por diversos factores del material. Estos incluyen la movilidad de los portadores de carga, el perfil de absorción óptica y las fuerzas impulsoras energéticas generales que conducen a una extracción más eficiente de los portadores de carga. [ 88 ]

El voltaje de circuito abierto (Voc) es el voltaje cuando no hay corriente circulando por el dispositivo. [ 88 ] Esto corresponde a la intersección con el eje x en una curva corriente-voltaje. En los dispositivos fotovoltaicos orgánicos de heteroestructura masiva, este valor depende en gran medida de los niveles de energía HOMO y LUMO y de las funciones de trabajo de los materiales de la capa activa. [ 88 ]

Dado que la potencia es el producto del voltaje y la corriente, el punto de máxima potencia se produce cuando el producto entre el voltaje y la corriente alcanza su valor máximo.

El factor de llenado, FF, puede considerarse como la "cuadratura" de una curva de corriente-tensión. [ 87 ] Es el cociente del valor de potencia máxima y el producto de la tensión en circuito abierto y la corriente en cortocircuito. [ 87 ] Esto se muestra en la imagen superior como la relación entre el área del rectángulo amarillo y el rectángulo azul mayor. Para las células fotovoltaicas orgánicas, este factor de llenado es esencialmente una medida de la eficiencia con la que se extraen las cargas generadas del dispositivo. [ 88 ] Esto puede entenderse como una "competencia" entre las cargas que se transportan a través del dispositivo y las cargas que se recombinan. [ 88 ]

Un problema importante en torno a las células solares de polímero es la baja eficiencia de conversión de potencia (PCE) de las células fabricadas. Para ser consideradas comercialmente viables, las células solares de polímero deben alcanzar una eficiencia de al menos el 10-15% [ 89 ] , cifra muy inferior a la de las células fotovoltaicas inorgánicas. Sin embargo, debido al bajo coste de las células solares de polímero, una eficiencia del 10-15% resulta comercialmente viable.

Los recientes avances en el rendimiento de las células solares de polímero se deben a la compresión de la banda prohibida para mejorar la corriente de cortocircuito y a la reducción del orbital molecular más alto ocupado (HOMO) para aumentar el voltaje de circuito abierto. Sin embargo, las células solares de polímero aún presentan bajos factores de llenado (generalmente inferiores al 70%). No obstante, desde 2013, los investigadores han logrado fabricar células solares de polímero con factores de llenado superiores al 75%. Los científicos lo han conseguido mediante una heterounión a granel invertida y el uso de combinaciones no convencionales de donadores/aceptores. [ 90 ]

Comercialización

Número de publicaciones científicas que contribuyen al tema "células solares de polímero" por año. Búsqueda realizada a través de ISI, Web of Science . [ 91 ]

Las células solares de polímero aún no compiten comercialmente con las células solares de silicio y otras células de película delgada . La eficiencia actual de las células solares de polímero ronda el 10%, muy por debajo de la de las células de silicio. Además, las células solares de polímero sufren degradación ambiental debido a la falta de recubrimientos protectores eficaces .

Se necesitan mejoras adicionales en el rendimiento para promover la difusión de portadores de carga; el transporte debe mejorarse mediante el control del orden y la morfología; y la ingeniería de interfaces debe aplicarse al problema de la transferencia de carga a través de las interfaces.

Se están realizando investigaciones sobre el uso de la arquitectura en tándem para aumentar la eficiencia de las células solares de polímero. Al igual que la arquitectura en tándem inorgánica, se espera que la arquitectura en tándem orgánica aumente la eficiencia. En comparación con un dispositivo de unión simple que utiliza materiales de banda prohibida baja, la estructura en tándem puede reducir la pérdida de calor durante la conversión de fotones a electrones. [ 9 ]

Las células solares de polímero no se producen comercialmente a gran escala. En 2008, Konarka Technologies comenzó la producción de células solares de polímero-fulereno. [ 92 ] Los módulos iniciales tenían una eficiencia del 3 al 5 % y solo duraban unos pocos años. Posteriormente, Konarka se declaró en bancarrota, ya que esas células solares de polímero no lograron penetrar en el mercado fotovoltaico.

Las PSC aún presentan bajos factores de llenado (generalmente inferiores al 70%). Sin embargo, desde 2013, los investigadores han logrado fabricar PSC con factores de llenado superiores al 75%. Los científicos lo han conseguido mediante una heterounión a granel invertida y el uso de combinaciones no convencionales de donador/aceptor. [ 90 ]

Sin embargo, se están realizando esfuerzos para aumentar la producción de células solares de polímero, con el fin de reducir costos y promover un enfoque práctico para su fabricación. Estos esfuerzos incluyen el procesamiento integral de soluciones rollo a rollo. No obstante, este proceso no es adecuado para la producción de electricidad en la red debido a la corta vida útil de las células solares de polímero. Por lo tanto, las aplicaciones comerciales de las células solares de polímero aún se limitan principalmente a la electrónica de consumo y los electrodomésticos. [ 93 ]

Modelado de células solares orgánicas

Como se mencionó anteriormente, los semiconductores orgánicos son materiales altamente desordenados, sin orden de largo alcance. Esto significa que los bordes de la banda de conducción y de la banda de valencia no están bien definidos. Además, este desorden físico y energético genera estados trampa en los que los electrones y huecos fotogenerados pueden quedar atrapados y, posteriormente, recombinarse.

La clave para describir con precisión las células solares orgánicas en un modelo de dispositivo reside en incluir el atrapamiento y la recombinación de portadores a través de estados trampa. Un enfoque comúnmente utilizado consiste en emplear un modelo de medio efectivo, donde se utilizan ecuaciones estándar de deriva-difusión para describir el transporte a través del dispositivo. Posteriormente, se introduce una cola exponencial de estados trampa que decae en la banda prohibida desde los bordes de movilidad. [ 94 ] Para describir la captura/escape de estos estados trampa, se puede utilizar el mecanismo de Shockley-Read-Hall (SRH) . Se ha demostrado que el mecanismo de Shockley-Read-Hall es capaz de reproducir el comportamiento de dispositivos de polímero-fulereno tanto en el dominio del tiempo como en estado estacionario. [ 94 ]

El diseño de células solares orgánicas requiere la optimización de numerosos parámetros estructurales y de composición, como la banda prohibida y el espesor de las capas. La simulación numérica de dispositivos proporciona información fundamental para identificar la configuración óptima de la pila. Esto permite reducir el tiempo necesario para el desarrollo de células solares eficientes.

Desafíos actuales y progresos recientes

Las dificultades asociadas a las células fotovoltaicas orgánicas incluyen su baja eficiencia cuántica externa (hasta un 70 %) [ 95 ] en comparación con los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos, a pesar de tener una buena eficiencia cuántica interna; esto se debe a una absorción insuficiente con capas activas del orden de 100 nanómetros. Las inestabilidades frente a la oxidación y la reducción, la recristalización y las variaciones de temperatura también pueden provocar la degradación del dispositivo y una disminución del rendimiento con el tiempo. Esto ocurre en diferentes grados para dispositivos con distintas composiciones, y es un área en la que se está llevando a cabo una investigación activa. [ 96 ]

Otros factores importantes incluyen la longitud de difusión del excitón, la separación de carga y la recolección de carga, que se ven afectadas por la presencia de impurezas.

Movilidad y transporte de portadores de carga

Especialmente para las células solares de heteroestructura masiva, comprender el transporte de portadores de carga es vital para mejorar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos. Actualmente, los dispositivos de heteroestructura masiva presentan una movilidad de portadores de carga desequilibrada, con una movilidad de huecos al menos un orden de magnitud menor que la de electrones; esto da lugar a la acumulación de carga espacial y a una disminución del factor de llenado y de la eficiencia de conversión de potencia del dispositivo. [ 97 ] Debido a su baja movilidad, los dispositivos fotovoltaicos de heteroestructura masiva eficientes deben diseñarse con capas activas delgadas para evitar la recombinación de los portadores de carga, lo cual perjudica la absorción y la escalabilidad del procesamiento. Las simulaciones han demostrado que, para obtener una célula solar de heteroestructura masiva con un factor de llenado superior a 0,8 y una eficiencia cuántica externa superior al 90 %, es necesario un equilibrio en la movilidad de los portadores de carga para reducir el efecto de carga espacial, así como un aumento en la movilidad de los portadores de carga y/o una disminución de la constante de velocidad de recombinación bimolecular . [ 98 ]

Efecto de la morfología de la película

Figura 8: Heterounión altamente plegada (a); heterounión con crecimiento controlado (b)

Como se describió anteriormente, las heterouniones dispersas de materiales orgánicos donador-aceptor tienen altas eficiencias cuánticas en comparación con la heterounión planar, porque en las heterouniones dispersas es más probable que un excitón encuentre una interfaz dentro de su longitud de difusión. La morfología de la película también puede tener un efecto drástico en la eficiencia cuántica del dispositivo. Las superficies rugosas y la presencia de huecos pueden aumentar la resistencia en serie y también la probabilidad de cortocircuito. La morfología de la película y, como resultado, la eficiencia cuántica se pueden mejorar mediante el recocido de un dispositivo después de cubrirlo con un cátodo metálico de ~1000 Å de espesor. La película metálica sobre la película orgánica aplica tensiones a la película orgánica, lo que ayuda a prevenir la relajación morfológica en la película orgánica. Esto da como resultado películas más densamente empaquetadas y, al mismo tiempo, permite la formación de una interfaz donador-aceptor interpenetrante con separación de fases dentro del volumen de la película delgada orgánica. [ 99 ]

Aprovechando estos avances, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) ha estado desarrollando técnicas de procesamiento rollo a rollo para refinar el control morfológico en capas de heteroestructuras masivas. Al controlar con precisión la separación de fases entre materiales donadores y aceptores, estas técnicas facilitan una extracción y transporte de carga más eficientes, mejorando así el rendimiento general del dispositivo. Además, al optimizar las condiciones de deposición y el proceso del disolvente, el enfoque del NREL busca minimizar los defectos morfológicos que contribuyen a la recombinación de carga, mejorando así tanto la eficiencia como la sostenibilidad ambiental en la producción de células solares orgánicas. [ 100 ]

heterounión de crecimiento controlado

La separación de carga ocurre en la interfaz donador-aceptor. Durante su viaje hacia el electrodo, una carga puede quedar atrapada o recombinarse en un material orgánico interpenetrante desordenado, lo que resulta en una disminución de la eficiencia del dispositivo. El crecimiento controlado de la heterounión proporciona un mejor control sobre las posiciones de los materiales donador-aceptor, lo que resulta en una eficiencia energética mucho mayor (relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada) que la de las heterouniones planas y altamente desorientadas (como se muestra en la Fig. 8). Por lo tanto, la elección de parámetros de procesamiento adecuados para controlar mejor la estructura y la morfología de la película es sumamente deseable. [ 32 ]

Trampa de luz

Se aplican varios tipos de componentes para aumentar los efectos de captura de luz (acoplamiento de luz) en células solares orgánicas delgadas. [ 101 ] Además de la flexibilidad de las células solares orgánicas, al usar electrodos flexibles [ 102 ] [ 103 ] y sustratos [ 104 ] en lugar de ITO y vidrio respectivamente, se pueden producir células solares orgánicas totalmente flexibles. Mediante el uso de estos sustratos flexibles, se introducen métodos más fáciles para proporcionar efectos de captura de luz a las OPV, tales como electrodos de polímero con partículas dispersoras incrustadas, [ 105 ] electrodos de polímero nanoimpresos, [ 106 ] sustratos de PET con patrones [ 107 ] [ 108 ] e incluso película de visualización óptica comercializada para pantallas de cristal líquido (LCD) como sustratos. [ 109 ] Se realizará mucha investigación para mejorar el rendimiento de las OPV con la ventaja de un procesamiento fácil de las estructuras de captura de luz.

Uso en sistemas fotovoltaicos en tándem

Recientemente se han realizado investigaciones y estudios sobre la utilización de una célula solar orgánica como célula superior en una pila de células solares híbridas en tándem. Debido a que las células solares orgánicas tienen una banda prohibida mayor que las fotovoltaicas inorgánicas tradicionales como el silicio o el CIGS , pueden absorber fotones de mayor energía sin perder mucha energía debido a la termalización, y por lo tanto operan a un voltaje más alto. Los fotones de menor energía y los fotones de mayor energía que no son absorbidos pasan a través de la célula solar orgánica superior y luego son absorbidos por la célula inorgánica inferior. Las células solares orgánicas también son procesables en solución a bajas temperaturas con un bajo costo de 10 dólares por metro cuadrado, lo que resulta en una célula superior imprimible que mejora la eficiencia general de las tecnologías de células solares inorgánicas existentes. [ 110 ] Se ha realizado mucha investigación para permitir la formación de dicha pila de células solares híbridas en tándem, incluyendo investigación en la deposición de electrodos semitransparentes que mantienen una baja resistencia de contacto a la vez que tienen una alta transparencia. [ 111 ]

Comportamiento mecánico

Comprender las propiedades mecánicas de los semiconductores orgánicos y, en particular, la amplia gama de mecanismos de falla de los dispositivos de células solares orgánicas en funcionamiento es fundamental para determinar la estabilidad operativa de las células solares orgánicas para diversas aplicaciones. Las propiedades mecánicas de las células solares orgánicas pueden atribuirse a las fuerzas intermoleculares y superficiales presentes en el material. Estos atributos no solo están influenciados por la estructura molecular, sino que también son bastante sensibles a las condiciones de procesamiento, lo que hace que el estudio de las propiedades mecánicas de las películas delgadas de polímero, como el módulo de Young, la ductilidad y la tenacidad a la fractura bajo tensión, sea bastante difícil. [ 112 ] Debido a esto, no es trivial cuantificar un "índice de mérito" que prediga la estabilidad mecánica de un dispositivo y la robustez de un dispositivo bajo tensión dependerá de muchos factores.

Generalmente, el sustrato proporciona soporte al dispositivo y una falla mecánica del sustrato conlleva una eficiencia de conversión de energía subóptima. Por lo tanto, si bien es necesario que el sustrato proporcione soporte mecánico a la capa activa orgánica, se debe tener cuidado para asegurar que el aumento de la resistencia a la tracción del sustrato no se produzca a costa de la fractura de la película a bajas deformaciones. En general, es deseable que la capa activa se deforme junto con el sustrato. Esto se logra con un módulo elástico bajo y un límite elástico alto. La ductilidad de una película delgada se mide comúnmente como la deformación a la que aparecen grietas en la película. Sin embargo, la deformación de inicio de grieta también depende de otros factores, como el grado de cohesión/adhesión entre la película y el sustrato. Diversos estudios han relacionado la energía de fractura cohesiva o adhesiva G c , definida como el trabajo requerido para romper interfaces de polímero separadas, con parámetros moleculares y condiciones de procesamiento. [ 113 ] [ 114 ] Junto con la cohesión, la trayectoria de propagación de grietas tras su formación depende de las propiedades mecánicas del material a través del cual se propaga la grieta. En polímeros como el P3HT, que exhiben buena plasticidad, se forma una zona plástica en la punta de la grieta al aplicar una tensión de tracción normal al plano del dispositivo y se expande hasta que queda confinada por dominios cristalinos en la película o por un sustrato rígido, disipando así la energía de deformación y disminuyendo la cohesión entre las interfaces. [ 115 ] La técnica de pandeo mecánico también ha demostrado ser bastante exitosa para determinar los módulos elásticos de varias películas delgadas orgánicas. El método se basa en la inestabilidad de pandeo que da lugar a arrugas en la película bajo una tensión de compresión. La longitud de onda del patrón de arrugas se puede relacionar con el módulo de tracción de la película en términos del espesor de la película y el módulo elástico del sustrato. [ 116 ]

En el diseño de dispositivos que incorporan células solares orgánicas, Gc y la deformación a la fractura se han identificado como dos parámetros importantes a considerar. La capa de heterounión masiva (BHJ) suele ser la capa más débil de una célula solar orgánica, por lo que es necesario diseñar los materiales BHJ para que sean mecánicamente estables, con un G c objetivo de 5 J m-2 y una deformación a la fractura objetivo del 20-30%. Se ha demostrado que los aceptores basados ​​en polímeros exhiben propiedades mecánicas superiores en comparación con los aceptores de moléculas pequeñas y los aceptores basados ​​en fulerenos. Además, las propiedades mecánicas de los aceptores basados ​​en polímeros están influenciadas por M n , el peso molecular promedio numérico de las moléculas de polímero. Se determinó que las propiedades mecánicas aumentan con el aumento de M n , pero solo una vez que Mn ha superado M c , el peso molecular crítico en el que los enredos hacen que la tasa de cambio de viscosidad aumente con el aumento de M n . Este fenómeno ocurre porque la tasa de enredo de cadenas y la miscibilidad entre el polímero aceptor y el donador aumentan. El efecto de estas características es que la deformación plástica de estos materiales en reacción a la tensión mecánica fue alta, lo que significa que se disipó más energía, mientras que los materiales con menor resistencia mecánica se fracturaron más fácilmente. [ 117 ]

Direcciones recientes para la investigación de materiales de heteroestructuras masivas

Un área importante de investigación actual es el uso de aceptores no fullerénicos . Si bien los aceptores fullerénicos han sido el estándar para la mayoría de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos debido a su compatibilidad dentro de los diseños de celdas de heterounión masiva, así como a sus buenas propiedades de transporte, tienen algunas desventajas que están llevando a los investigadores a intentar encontrar alternativas. [ 118 ] Algunos aspectos negativos de los aceptores fullerénicos incluyen su inestabilidad, que están algo limitados en su ajuste de energía y tienen una absorción óptica deficiente. [ 118 ] Los investigadores han desarrollado aceptores de moléculas pequeñas que, debido a su buen ajuste de energía, pueden exhibir altos voltajes de circuito abierto. [ 118 ] Combinando un donante de polímero (D18) con un aceptor de molécula pequeña (Y6), los científicos han fabricado celdas solares orgánicas en el laboratorio que dan altas eficiencias superiores al 18%. [ 119 ] Sin embargo, aún existen desafíos importantes con los aceptores no fullerénicos, incluyendo las bajas movilidades de portadores de carga de los aceptores de moléculas pequeñas, y que la gran cantidad de moléculas posibles es abrumadora para la comunidad de investigación. [ 118 ]

Un desafío para el desarrollo de células solares orgánicas que utilizan aceptores no fullerénicos (NFA) es la selección de un solvente con un punto de ebullición alto y respetuoso con el medio ambiente, ya que los solventes convencionales como el cloroformo (CF) tienden a presentar puntos de ebullición bajos y toxicidad. Dicho solvente es necesario para la ampliación de la producción de células solares orgánicas, pero también se ha asociado con disminuciones en la eficiencia de conversión de potencia (PCE) debido a la baja solubilidad de los materiales donadores y aceptores en el solvente. La adición de cadenas alquílicas a los NFA ha dado lugar a aumentos en la solubilidad, pero disminuciones en el empaquetamiento molecular (apilamiento π), lo que no tiene un impacto neto en la PCE. Se ha descubierto que el uso de moléculas invitadas beneficia tanto la solubilidad como el empaquetamiento molecular. Una molécula invitada llamada BTO con cadenas laterales de oligo(etilenglicol) (OEG), utilizada junto con el NFA Y6 como aceptor, PM6 como donador y paraxileno (PX) como solvente sostenible de alto punto de fusión, dio lugar a un aumento en la PCE del 11% a más del 16%, considerado un nivel de eficiencia aceptable. [ 120 ] Otra modificación que ha tenido éxito en el desarrollo de células fotovoltaicas orgánicas más limpias es el recubrimiento por centrifugación en caliente de sustratos con disolventes no halogenados. Se descubrió que la temperatura a la que se realizaba el recubrimiento por centrifugación en caliente alteraba la evolución de la fase de solución a fase sólida de las mezclas aceptor-donador, de modo que las temperaturas más altas daban como resultado una mayor concentración de aceptor en la superficie del sustrato. Esto se debe a que las temperaturas más altas facilitaban una menor agregación y precipitación, lo que permitía que el sustrato retuviera una mayor concentración de aceptor. En un experimento, las células solares orgánicas construidas con mezclas ternarias del donador PM6 y los aceptores Y6-1O y BO-4Cl y varios disolventes no halogenados, incluidos o-xileno y tolueno, exhibieron valores de PCE superiores al 18%, que son las células fotovoltaicas orgánicas más eficientes construidas con disolventes no halogenados hasta la fecha. Análisis morfológicos adicionales mostraron que las OPV hiladas en caliente preparadas con disolventes no halogenados exhibieron características morfológicas similares a las de las OPV preparadas con disolventes halogenados. [ 121 ]

También se están investigando intensamente las moléculas pequeñas para que actúen como materiales donantes, con el potencial de reemplazar a los donantes poliméricos. Dado que las moléculas pequeñas no varían en peso molecular como los polímeros, requerirían menos pasos de purificación y son menos susceptibles a defectos y torceduras macromoleculares que pueden crear estados trampa que conducen a la recombinación. [ 122 ] Investigaciones recientes han demostrado que las estructuras donantes de moléculas pequeñas de alto rendimiento tienden a tener estructuras planas 2D y pueden agregarse o autoensamblarse. [ 122 ] Dado que el rendimiento de estos dispositivos depende en gran medida de la morfología de la capa activa, la investigación actual continúa explorando las posibilidades de las moléculas pequeñas y optimizando la morfología del dispositivo mediante procesos como el recocido para diversos materiales. [ 122 ]

Paralelamente, los avances en materiales de heteroestructuras masivas siguen generando mejoras en la eficiencia y la estabilidad. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha apoyado la investigación de nuevos aceptores no fullerénicos (NFA) con el objetivo de minimizar las pérdidas de energía y mejorar la separación de carga. [ 123 ]

Véase también

Otras células solares de tercera generación:

Referencias

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  • Energía fotovoltaica orgánica por Christoph Brabec, Vladimir Dyakonov, Jürgen Parisi y Niyazi Serdar Sariciftci (eds.), Springer Verlag (Berlín, 2003), ISBN 3-540-00405-X
  • Energía fotovoltaica orgánica: mecanismos, materiales y dispositivos (Ingeniería óptica) por Sam-Shajing Sun y Niyazi Serdar Sariciftci (eds.), CRC Press (2005), ISBN 0-8247-5963-X
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