En el camino de la eficiencia de las células solares orgánicas
Las vibraciones moleculares reducen el máximo voltaje fotoeléctrico alcanzable en las células solares orgánicas
Científicos de la Universidad Técnica de Dresde y la Universidad de Hasselt en Bélgica investigaron las causas físicas que limitan la eficiencia de las nuevas células solares basadas en materiales moleculares orgánicos. Actualmente, el voltaje de dichas células es todavía demasiado bajo, una de las razones por las que su eficiencia es todavía relativamente baja.
Ilustración de la generación de pares de carga (excitones), los precursores de los portadores gratuitos en la capa activa de una célula solar orgánica.
M. Panhans
En su estudio, al investigar las vibraciones de las moléculas de las películas delgadas, los científicos pudieron demostrar que los efectos cuánticos muy fundamentales, las llamadas vibraciones de punto cero, pueden contribuir significativamente a las pérdidas de voltaje.
Las células solares son un punto de cristalización de grandes esperanzas para la necesaria transformación de la producción mundial de energía. La energía fotovoltaica orgánica (OPV), que se basa en materiales orgánicos, es decir, basados en el carbono, podría ser idónea para convertirse en un pilar importante en la combinación de energía de las "renovables", porque tiene un mejor balance ecológico en comparación con los módulos convencionales basados en el silicio y sólo se necesita una pequeña cantidad de material para producir las películas finas. Sin embargo, es necesario un mayor aumento de la eficiencia. Se basa en varios valores característicos como el voltaje de circuito abierto, cuyos valores demasiado bajos son actualmente la razón principal de las eficiencias todavía bastante moderadas de los OPV.
El estudio investigó las razones físicas de esto, incluyendo las vibraciones de las moléculas en las películas delgadas. Se demostró que las llamadas vibraciones de punto cero - un efecto de la física cuántica que caracteriza el movimiento a temperatura cero absoluta - pueden tener una influencia significativa en las pérdidas de voltaje. Se demostró una relación directa entre las propiedades moleculares y las propiedades de los dispositivos macroscópicos. Los resultados proporcionan información importante para el desarrollo y la mejora de nuevos materiales orgánicos.
El borde de baja energía de los espectros de absorción óptica es crucial para el rendimiento de las células solares, pero en el caso de las células solares orgánicas con muchos factores de influencia aún no se entiende bien. En el presente estudio se investigó el origen microscópico de las bandas de absorción en los sistemas de mezcla molecular y su papel en las células solares orgánicas. Se centró en la dependencia de la temperatura de las características de absorción, que se investigó teóricamente teniendo en cuenta las vibraciones moleculares. Las simulaciones se ajustaron muy bien a los espectros de absorción medidos experimentalmente, lo que condujo a una serie de importantes conclusiones.
Los autores descubrieron que las vibraciones de punto cero, mediadas por la interacción electrón-fonón, causan un considerable ancho de banda de absorción. Esto lleva a la reemisión de una parte de la energía que no se utiliza y, por lo tanto, reduce el voltaje de circuito abierto. Estas pérdidas de voltaje pueden predecirse ahora a partir de parámetros moleculares electrónicos y vibrónicos. Lo que es inusual es que este efecto es fuerte incluso a temperatura ambiente y puede reducir significativamente la eficiencia de la célula solar orgánica. Los autores están discutiendo qué estrategias para reducir estas pérdidas de voltaje inducidas por la vibración podrían aplicarse para un mayor número de sistemas y diferentes geometrías de heterojunction.
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