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(Foco Nanowerk) En la búsqueda de soluciones energéticas sostenibles, las células solares orgánicas (OSC) se han convertido en una tecnología prometedora para aplicaciones semitransparentes como la energía fotovoltaica integrada en edificios y los invernaderos.
La capacidad de ajustar las propiedades ópticas de las OSC mediante la manipulación de materiales absorbentes de luz, llamados donantes y aceptores, ha abierto posibilidades interesantes para desarrollar dispositivos que generen energía limpia mientras transmiten luz visible. Sin embargo, el desafío de equilibrar la eficiencia de conversión de energía (PCE) con la transparencia ha obstaculizado la adopción generalizada de OSC semitransparentes.
Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Helmholtz de Erlangen-Núremberg para Energías Renovables y la Universidad de Liverpool han logrado un avance significativo para superar este desafío. En un estudio reciente publicado en Materiales funcionales avanzados (“Guías para el diseño de materiales en células solares orgánicas semitransparentes”), los autores presentan un nuevo marco de simulación que se basa en el modelo Scharber establecido, que a menudo se utiliza para predecir el rendimiento de las OSC en función de los niveles de energía de las células donantes y materiales aceptores.
![Representación esquemática de los niveles de energía utilizados para calcular el Voc.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64941_1.jpg)
Lo especial de este nuevo modelo es la inclusión de espectros de absorción realistas de materiales donantes y aceptores representativos, lo que permite una predicción más precisa del rendimiento de OSC. Al variar sistemáticamente las bandas prohibidas (la diferencia de energía entre los orbitales moleculares más ocupados y los más bajos desocupados) de estos materiales, los investigadores pudieron mapear el panorama de los valores de PCE alcanzables y de transmitancia visible promedio (AVT), proporcionando información valiosa sobre las combinaciones óptimas. de materiales donantes y aceptores para OSC semitransparentes.
El modelo identificó tres áreas distintas de alta eficiencia de utilización de la luz (LUE), un factor de calidad que equilibra PCE y AVT. El primer óptimo se produce cuando tanto el donante como el aceptor tienen bandas prohibidas relativamente pequeñas, alrededor de 1,3 electronvoltios (eV), lo que permite una fuerte absorción en la región del infrarrojo cercano y al mismo tiempo mantiene una buena transparencia en el espectro visible. El segundo óptimo resulta de una combinación de un donante de banda prohibida amplia (≈2,5 eV) y un aceptor de banda prohibida estrecha (≈1,35 eV), que minimiza la superposición de absorción y permite una ventana de transmisión amplia. El tercer óptimo implica bandas prohibidas muy grandes para ambos materiales (≈2,9 eV para el donante y ≈2,3 eV para el aceptor), lo que da como resultado una transparencia excepcional a expensas de un PCE reducido.
Curiosamente, cuando los investigadores compararon sus predicciones teóricas con datos experimentales de la literatura, encontraron que la mayoría de los OSC semitransparentes de alto rendimiento reportados hasta la fecha usaban materiales donantes y aceptores con bandas prohibidas que no corresponden a ninguno de los óptimos identificados. Esta discrepancia sugiere que las nuevas directrices podrían cambiar potencialmente la dirección de la investigación en este campo y promover el desarrollo de OSC con materiales que sean más adecuados para lograr altos valores de LUE.
Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá del ámbito de la curiosidad académica. Al proporcionar una hoja de ruta para diseñar OSC semitransparentes con combinaciones óptimas de banda prohibida, este trabajo podría acelerar el desarrollo de aplicaciones prácticas como ventanas e invernaderos generadores de energía. La integración de OSC semitransparentes en los edificios podría reducir significativamente su consumo de energía, mientras que su uso en entornos agrícolas podría aumentar el rendimiento de los cultivos al permitir la transmisión selectiva de radiación fotosintéticamente activa (PAR).
Para demostrar la versatilidad de su enfoque, los investigadores también adaptaron su modelo para optimizar la transparencia de las OSC en la región PAR del espectro solar. Al reemplazar la curva de respuesta fotópica utilizada para la luz visible con el espectro de acción de la planta, identificaron cuatro regiones diferentes de LUE alto, la más prometedora tiene una banda prohibida de donante de ≈2,0 eV y una banda prohibida de aceptor de ≈1,3 eV.
Este resultado resalta el potencial de adaptar los OSC a aplicaciones específicas y así ampliar aún más su utilidad.
Aunque los resultados de este estudio son prometedores, aún es necesario superar desafíos para traducir estos conocimientos teóricos en dispositivos prácticos. Los investigadores buscaron en una base de datos que contenía los niveles de energía de más de 50.000 semiconductores orgánicos conocidos y descubrieron que todos los máximos de LUE identificados correspondían a valores de banda prohibida químicamente accesibles. Sin embargo, sintetizar nuevos semiconductores orgánicos con las bandas prohibidas deseadas y optimizar su rendimiento en OSC requiere más trabajo experimental.
Además, ampliar la producción de OSC semitransparentes y garantizar su estabilidad y durabilidad a largo plazo será fundamental para su adopción generalizada. Abordar estos desafíos requiere esfuerzos de colaboración de investigadores de todas las disciplinas, incluidas la ciencia de materiales, la química y la ingeniería.
A pesar de estos obstáculos, el trabajo de Forberich et al. Representa un hito importante en el desarrollo de células solares orgánicas semitransparentes: al proporcionar una poderosa herramienta para predecir y optimizar el rendimiento de estos dispositivos, su modelo abre nuevas vías para la investigación y la innovación en este campo.
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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