Un nuevo polímero puede aumentar el rendimiento de las células solares orgánicas y de perovskita
Investigadores del Skoltech y sus colegas han sintetizado un nuevo polímero conjugado para la electrónica orgánica mediante dos reacciones químicas diferentes y han demostrado el impacto de los dos métodos en su rendimiento en células solares orgánicas y de perovskita. El trabajo se ha publicado en la revista Macromolecular Chemistry and Physics.
Variación del arte de la portada del número de Química y Física Macromolecular que presenta el estudio del que se informa en este artículo, ambas obras de arte del primer autor del estudio.
Marina Tepliakova/Skoltech
A medida que el mundo trata de hacer la transición a las energías limpias y renovables, como la solar, los científicos trabajan para que las células solares sean más eficientes en la producción de electricidad. Entre los enfoques prometedores se encuentran dos tecnologías fotovoltaicas de rápido desarrollo con potencial para la generación de energía solar sostenible y barata: las células solares orgánicas y las células solares de perovskita de haluro de plomo. Su principal ventaja sobre las células solares comerciales basadas en silicio cristalino es el bajo coste de depositar la capa fotoactiva a partir de una solución. Esto abarata la producción de energía, simplifica el escalado con técnicas de impresión y fabricación de rollo a rollo, y permite la fabricación de dispositivos en superficies flexibles y estirables.
Sin embargo, hay varios obstáculos para la adopción generalizada de estas tecnologías. Por un lado, la eficiencia de las células solares orgánicas todavía tiene un largo camino por recorrer. Para ello habrá que ajustar la composición de la capa fotoactiva. En las células solares orgánicas, la conversión de luz en energía se produce en la capa fotoactiva, que consiste en una mezcla de materiales donantes y aceptores; el donante suele ser un polímero conjugado.
En cuanto a las células solares de perovskita, han alcanzado una espectacular eficiencia récord certificada del 25,5%, pero la estabilidad a largo plazo sigue siendo un problema. Investigaciones recientes han demostrado que la estabilidad de los dispositivos puede mejorarse cubriendo el material fotoactivo de la perovskita con una capa de extracción de carga que proporcione una encapsulación eficaz. Entre otros materiales, esta función protectora la pueden cumplir los polímeros conjugados, por lo que es importante maximizar su calidad mejorando su síntesis.
"Los polímeros conjugados tienen una variedad de aplicaciones importantes, lo que nos lleva a investigar formas de optimizar su síntesis para mejorar su calidad, lo que llevaría a un mejor rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Nuestro estudio se centra en un tipo particular de polímeros conjugados, que contienen la unidad isoíndigo en la cadena polimérica. Los resultados demuestran que, entre las dos vías sintéticas aplicadas para la síntesis de materiales basados en el isoíndigo, se debe dar preferencia a la reacción Stille sobre la reacción Suzuki como paso final de la síntesis", explicó la estudiante de doctorado del Skoltech Marina Tepliakova.
Junto con el director del Skoltech, Keith Stevenson, y sus colegas del Instituto de Problemas de Física Química de la RAS, Marina Tepliakova sintetizó un polímero conjugado basado en el isoíndigo, un isómero del conocido colorante índigo. El equipo empleó dos vías de síntesis utilizadas habitualmente para producir polímeros basados en el isoíndigo: las reacciones de policondensación de Stille y de Suzuki.
Los polímeros conjugados son materiales orgánicos que suelen contener en su estructura unidades alternas de donante y aceptor, por lo que también se denominan materiales D-A-D-A-D. Las unidades D y A, denominadas monómeros, se unen en cadenas poliméricas mediante diversas reacciones de polimerización, cada una de las cuales depende de que los monómeros lleven ciertos grupos funcionales adicionales para empezar. En el caso de los polímeros que incorporan la unidad de isoíndigo como componente aceptor, existen dos rutas sintéticas, y el estudio realizado por el equipo del Skoltech-IPCP RAS las examinó ambas.
Además de la distinción de grupos funcionales mencionada anteriormente, las dos vías de síntesis son diferentes en cuanto a las condiciones de reacción requeridas. Por ejemplo, el proceso de policondensación de Suzuki requiere que una base inorgánica esté presente junto con los dos monómeros en la mezcla de fluidos inmiscibles: agua y disolvente orgánico. La transferencia de los monómeros entre las fases se hace posible gracias a moléculas especiales conocidas como catalizadores de transferencia. La reacción de Stille suele producirse en una fase y a temperaturas elevadas. Además, ambas reacciones requieren catalizadores a base de paladio.
"Nuestra primera observación fue que las condiciones estándar de la reacción de Suzuki eran incompatibles con la síntesis de monómeros a base de isoíndigo", comentó Marina Tepliakova. "Utilizando cromatografía líquida de alto rendimiento, observamos la descomposición de la señal del monómero en tres señales distintas de algunos subproductos con diferentes tiempos de retención en las condiciones estándar de Suzuki. Esto significaba que se estaba produciendo una destrucción irreversible del monómero basado en el isoíndigo. Así que ajustamos las condiciones de reacción hasta que no fueran perjudiciales para el material".
Tras ajustar la reacción Suzuki, el equipo pasó a sintetizar el polímero utilizando ambas vías. Se comprobó que los materiales resultantes tenían pesos moleculares y propiedades optoelectrónicas similares. A continuación, los investigadores probaron las muestras en dispositivos fotovoltaicos: células solares orgánicas y de perovskita. El polímero obtenido mediante la reacción de Stille demostró un rendimiento superior, con eficiencias del 15,1% y el 4,1% en células solares orgánicas y de perovskita, respectivamente, mientras que el material derivado de Suzuki obtuvo eficiencias del 12,6% y el 2,7%.
El equipo atribuyó la diferencia de rendimiento a la presencia de las llamadas trampas de carga en el material obtenido mediante la reacción Suzuki. Esta suposición se confirmó mediante una técnica denominada resonancia de espín electrónico, que demostró que el material obtenido por la vía Stille tenía cinco veces menos defectos.
Ajustando el enfoque a la síntesis de monómeros basados en el isoíndigo, los investigadores han encontrado una forma de producir un material de alta calidad que se comporta bien en las células fotovoltaicas. En un experimento de seguimiento, el equipo está sintetizando varios materiales para probarlos en células solares de perovskita. Ese próximo estudio aclarará la relación entre la estructura del material y el rendimiento del dispositivo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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