Las celdas solares plásticas están compuestas por dos materiales: un polímero semiconductor y otro compuesto aceptor de electrones. Para obtener el máximo rendimiento de la celda solar, es necesario que coexistan regiones donde los compuestos están bien mezclados y regiones en los que los materiales se encuentran puros. Esta nueva investigación presenta por primera vez una metodología experimental basada en nanocalorimetría que permite cuantificar este grado de mezcla de las celdas solares, un conocimiento fundamental para el diseño de dispositivos más eficientes y estables. Algunos de los experimentos se llevaron a cabo en la línea de luz NCD-SWEET del Sincrotrón ALBA.

De izquierda a derecha: Eduardo Solano científico del Sincrotrón ALBA y Edgar Gutiérrez, Sara Marina y Nicolas Ramos investigadores de POLYMAT y la Universidad del País Vasco, en el interior de la cabina experimental de la línea de luz NCD-SWEET del Sincrotrón ALBA.

Cerdanyola del Vallès, 16 de diciembre de 2020.

 La prestigiosa revista Advanced Materials ha publicado un artículo que presenta por primera vez una metodología experimental que permite cuantificar la composición de las celdas solares, un conocimiento fundamental para el diseño de dispositivos más eficientes y estables.

Varios ejemplos de celdas solares fabricadas con plásticos semiconductores - que ofrecen grandes ventajas en aspectos económicos, ambientales y tecnológicos - han alcanzado este año valores de eficiencia de fotoconversión de luz solar en energía eléctrica del 18%, llegando así a cifras que hasta hace poco tiempo se creían solo alcanzables por celdas solares inorgánicas.

Las celdas solares plásticas están compuestas, en realidad, por dos materiales: un polímero (plástico) semiconductor y otro compuesto aceptor de electrones. Se sabe desde hace años que, para obtener el máximo rendimiento de la celda solar, es necesario que coexistan tanto regiones donde los compuestos están bien mezclados como regiones en los que los materiales se encuentran puros (no mezclados). Esto es debido a que cuando la luz del sol es absorbida en la celda solar, las cargas eléctricas se generan más eficientemente en las regiones entremezcladas, pero se necesitan regiones puras para que estas cargas lleguen hasta los electrodos y, por lo tanto, se genere corriente eléctrica. Sin embargo, cuan mezcladas y cuan puras han de ser estas regiones es algo que desconocíamos hasta ahora, ya que no se disponía de las herramientas necesarias para medir el grado de mezcla de los compuestos en las celdas solares.

En el artículo se presenta por primera vez una metodología experimental basada en nanocalorimetría lo que permite cuantificar la composición - es decir, este grado de mezcla - de las celdas solares. El artículo destaca que, sorprendentemente, si bien un sistema mal mezclado ya es capaz de generar suficientes cargas eléctricas, no permite una adecuada extracción de esas cargas y por lo tanto la generación de corriente, pues el transporte de cargas solo es eficiente en celdas solares que incluyen regiones altamente mixtas.

Este conocimiento es fundamental para establecer relaciones cuantitativas entre la morfología y la eficiencia de las celdas solares orgánicas que permitirán el diseño de dispositivos aún más eficientes y estables.

Luz de sincrotrón para validar resultados

En concreto en el Sincrotrón ALBA, se llevaron a cabo experimentos de dispersión de rayos X a bajo ángulo e incidencia rasante (GISAXS, por sus siglas en inglés) en la línea de luz NCD-SWEET, ayudando a apoyar la teoría de que en uno de los dos sistemas estudiados los compuestos están más mezclados que en el otro.

Eduardo Solano, científico de la línea de luz, explica que “lo que se ha hecho en ALBA ha sido verificar el modelo. Es un ejemplo bastante claro de validación de métodos de laboratorio, ya que no siempre se tiene acceso a un sincrotrón, y el tiempo es limitado.”

La técnica GISAXS ha servido para comparar los diferentes sistemas entre ellos ya que, en función del grado de mezcla de los materiales, la dispersión cambia. Aporta, por tanto, un valor cualitativo que apoya a los resultados cuantitativos de la calorimetría.

Se trata de una técnica bastante fácil de llevar a cabo. Si se hace bien no degrada el material y es fácil de preparar y medir. Con la calorimetría la idea era obtener un dato numérico real, mientras que los rayos X nos dan un valor cualitativo.” Explica Edgar Gutiérrez, investigador post doctoral de la UPV/EHU y uno de los autores del artículo.

“Lo que hace todavía más interesante a esta técnica, es que nos permite ver el material tal y cómo lo depositaríamos en una celda solar. Venimos a menudo a ALBA para los diferentes proyectos que tenemos y la información que estamos recopilando está siendo muy interesante” Añade Sara Marina, estudiante de doctorado de la UPV/EHU y primera autora del artículo.

El equipo tiene previsto llevar a cabo nuevas medidas en ALBA para estudiar diferentes materiales que tienen el récord de eficiencia en celdas solares orgánicas.

El proyecto de investigación que dio lugar a la publicación estuvo liderado por Jaime Martín, investigador adscrito al Grupo de Polímeros de la Universidad de A Coruña; y contó con la colaboración de investigadores e investigadoras de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Georgia Institute of Technology (EEUU), la University of California Santa Barbara (EEUU), el Imperial College London (Reino Unido), el Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV/EHU) y el Sincrotrón ALBA.

Referencia: Sara Marina, Noëmi Petrina Kaufmann, Akchheta Karki, Elizabeth Gutiérrez‐Meza, Edgar Gutiérrez‐Fernández, Joachim Vollbrecht, Eduardo Solano, Barnaby Walker, James H. Bannock, John de Mello, Carlos Silva, Thuc‐Quyen Nguyen, Daniele Cangialosi, Natalie Stingelin, Jaime Martín. The Importance of Quantifying the Composition of the Amorphous Intermixed Phase in Organic Solar Cells. Advanced Materials. 2020. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202005241

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