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(Foco Nanowerk) Proporcionar energía a una población mundial en constante aumento es la preocupación más apremiante de nuestra generación y, sin embargo, las tecnologías existentes no pueden satisfacer esta necesidad y al mismo tiempo alcanzar los objetivos de cero emisiones netas. Las células solares ofrecen posibles soluciones al producir energía limpia con bajas emisiones de carbono2 Emisiones de un dispositivo rentable. Las nuevas tecnologías, como las células solares orgánicas, ofrecen numerosas ventajas sobre sus homólogas de silicio: son más baratas, más delgadas, más flexibles y pueden imprimirse a partir de una solución.
A pesar de su potencial, las células solares orgánicas basadas en la capa de heterounión activa convencional enfrentan desafíos al competir con los niveles de eficiencia exhibidos por otros dispositivos fotovoltaicos de silicio o perovskita.
Para ello se utilizan células solares orgánicas basadas en nanofibras. Esta arquitectura proporciona una mejor recolección de luz y transporte de carga, sintonizabilidad y control preciso del tamaño del dominio y la distribución del material en comparación con la mezcla de heterounión en masa. Para crear esta arquitectura, el donante de electrones (un polímero semiconductor) se electrohila para crear una red continua de nanofibras, que posteriormente se infiltra con el aceptor de electrones. Sin embargo, para aprovechar estos beneficios la clave está en controlar el diámetro de las nanofibras.
![Electrohilado de nanofibras de una red independiente de nanofibras P3HT que captan luz solar](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64253_1.jpg)
Investigadores del Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford han desarrollado un método para producir nanofibras de poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) con las dimensiones más pequeñas hasta el momento. Esto se logró electrohilando P3HT junto con un polímero auxiliar, PEO, e incorporando innovadoras nanopartículas de plata u oro.
Debido a la dificultad de electrohilar polímeros fotoactivos, incluido el P3HT, se informó que las nanofibras eran demasiado gruesas para aplicaciones solares, en muchos casos incluso más gruesas que la celda completa.
«El diámetro de la fibra es crucial para su rendimiento solar porque los excitones (pares de huecos de electrones) deben formarse cerca de la superficie de la fibra, que después de la infiltración se convierte en la interfaz para la separación con el aceptor de electrones», dice la profesora Nicole Grobert, directora de El grupo de investigación “Nanomateriales por diseño” del Instituto, explica Nanowerk. “Por lo tanto, los diámetros deben ser suficientemente pequeños, de lo contrario el electrón y el hueco se recombinarán, provocando la eliminación de los potenciales portadores de carga. Con un diámetro de poco más de 50 nm después de la eliminación del PEO, estas fibras proporcionan rutas cortas de difusión de excitones hacia la interfaz para una separación eficaz”.
El equipo informó sus hallazgos en Compuestos avanzados y materiales híbridos (“Llevando los diámetros de las fibras al límite: reducciones de diámetro inducidas por nanopartículas en nanofibras compuestas fotoactivas electrohiladas para energía fotovoltaica orgánica”).
La reducción de diámetro al agregar nanopartículas se logra mediante la modulación temporal de la conductividad eléctrica y la viscosidad de la solución precursora. Ryan Schofield, el primer autor del artículo, explica: “Al agregar nanopartículas, podemos aumentar la conductividad eléctrica de la droga y, sorprendentemente, desenredar el polímero y reducir así la viscosidad de nanofibras más delgadas de lo que era posible anteriormente.
Al mismo tiempo, los investigadores también pudieron controlar las propiedades de absorción de luz, ya que demostraron que el grado de alineación de la cadena polimérica a lo largo del eje de la fibra está estrechamente relacionado con los diámetros de la fibra. Dado que la reducción a la mitad del diámetro iba acompañada de una duplicación de la salida de luz, esto se debió en parte a una mejor alineación.
La presencia de nanopartículas también proporcionó un aumento adicional en la captación de luz a través de efectos de amplificación plasmónica. En general, la combinación de la orientación preferida del polímero y los efectos plasmónicos de las nanopartículas podrían proporcionar un aumento de 1,58 veces en la absorción con respecto a sus contrapartes de película delgada.
Ahora que este trabajo se puede fabricar en el tamaño adecuado, representa un hito importante en la realización del verdadero potencial de la capa activa nanofibrosa, una estructura de capa activa prometedora pero que antes era difícil de fabricar.
Para aumentar la absortividad de los polímeros fotoactivos, normalmente es necesario desarrollar nuevos polímeros a nivel molecular. Esta química requiere mucho tiempo y es laboriosa, mientras que aquí las mejoras se logran únicamente cambiando el procesamiento del polímero.
Además, este enfoque no sólo es aplicable a P3HT, afirma la profesora Hazel Assender, jefa del grupo de investigación de polímeros. Dado que el mecanismo está controlado por la interacción entre el polímero auxiliar y las nanopartículas, esta estrategia tiene el potencial de ser universalmente aplicable a una amplia gama de polímeros solares con fácil adaptación.
Por lo tanto, la reducción sin precedentes del diámetro y las fibras resultantes representan un avance directo en la forma en que se electrohilan los polímeros fotoactivos, cerrando la brecha entre las fibras descritas en la literatura y la nanofibra ideal para aplicaciones fotovoltaicas.
Debido a que la cantidad de energía proporcionada por el sol eclipsa las necesidades energéticas globales, y solo una hora de luz solar equivale a la energía de un año, estas mejoras en las tecnologías solares son fundamentales para combatir el cambio climático y garantizar la seguridad energética.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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