Avance en la comprensión del transporte de carga en células solares orgánicas
Los investigadores desvelan el paisaje electrónico de defectos en las células solares orgánicas y describen por primera vez su densidad de estados mediante una ley de potencias
Investigadores de la Cátedra de Óptica y Fotónica de la Materia Condensada (dirigida por el Prof. Dr. Carsten Deibel) de la Universidad Politécnica de Chemnitz y otras instituciones colaboradoras trabajan actualmente de forma intensiva en células solares fabricadas con semiconductores orgánicos novedosos, que pueden fabricarse mediante métodos establecidos de impresión o evaporación térmica. Con el fin de comprender a fondo y seguir desarrollando esta clase de materiales fotovoltaicos, los investigadores siguen un enfoque fuertemente interdisciplinario y cooperan como parte de la unidad de investigación "Printed & Stable Organic Photovoltaics from Non-fullerene Acceptors - POPULAR", financiada por la Fundación Alemana de Investigación, y la red de doctorado Marie-Skłodowska-Curie EIFFEL, financiada por la Unión Europea. Aquí se combinan conocimientos de química y ciencia de materiales, así como de física y matemáticas, con tecnología de impresión. "En lo que respecta al desarrollo de energías renovables eficientes en el uso de los recursos, la investigación sobre fotovoltaica orgánica es muy importante, ya que puede procesarse a gran velocidad y a temperatura ambiente", explica Deibel, que también dirige el grupo de investigación POPULAR.
Maria Saladina, ayudante de investigación de la Cátedra de Óptica y Fotónica de la Materia Condensada de la Universidad Politécnica de Chemnitz, caracteriza células solares orgánicas en un laboratorio del Instituto de Física.
Jacob Müller
"Los semiconductores orgánicos absorben muy bien la luz, por lo que la capa absorbente de luz en las células solares es 1.000 veces más fina que en las células solares de silicio cristalino", afirma el profesor de física de Chemnitz. A diferencia de éstas, las células solares orgánicas no están muy ordenadas, sino desordenadas. "Para el transporte de los electrones y huecos generados en los semiconductores orgánicos por la luz solar, esto significa que no se mueven por una autopista, sino por un camino lleno de baches con muchas trampas que atrapan electrones o huecos y provocan un flujo de corriente más lento, pero no menor", explica Deibel. Una forma de describir este paisaje energético es la densidad de estados.
Una idea sorprendente: La ley de potencia describe la densidad de estados de las células solares orgánicas
Para comprender mejor el transporte de carga en las células solares orgánicas, Deibel y su ayudante de investigación Maria Saladina, junto con colegas de la Universidad de Nuremberg-Erlangen, el Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg de Energías Renovables y Heliatek GmbH de Dresde, fabricaron distintos tipos de células solares orgánicas, las analizaron y por primera vez descubrieron el paisaje electrónico de defectos. Este es el resultado de mediciones sensibles del voltaje de circuito abierto de las células solares orgánicas, es decir, el voltaje que se genera cuando no fluye corriente y que es una medida de cuánta energía tienen los electrones y huecos fotogenerados. Las mediciones se realizaron en una amplia gama de intensidades de luz y temperaturas. La evaluación de los datos mostró que la densidad de estados de las células solares orgánicas tiene una forma que no puede describirse -como se suponía anteriormente- mediante una distribución gaussiana o exponencial, sino mediante una ley de potencia. "Esto significa que, contrariamente a los modelos antiguos, las tensiones de circuito abierto más pequeñas de las células solares se encuentran en un rango energético en el que hay más trampas. Afortunadamente, en las condiciones de trabajo de las células solares orgánicas a temperatura ambiente bajo irradiación solar, el voltaje en circuito abierto es mayor y la densidad de estados contiene menos trampas", afirma Saladina.
La publicación en la revista Physical Review Letters fue honrada como Sugerencia de los Editores
Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Physical Review Letters (130, 236403 (2023)) y el manuscrito fue seleccionado como Sugerencia de los Editores. Aunque la descripción teórica de las células solares orgánicas debe reconsiderarse debido a estos nuevos conocimientos, los autores del artículo técnico estiman que no existe ningún obstáculo fundamental para la producción de células solares orgánicas altamente eficientes mediante tecnologías de impresión o evaporación. "Estamos convencidos de que la naturaleza desordenada de los semiconductores orgánicos para células solares está directamente relacionada con las posibilidades de fabricación compatibles con la producción en masa", afirma Deibel. Saladina añade: "Nos hemos dado cuenta de que la densidad de estados, que determina los procesos de transporte de carga y recombinación en las células solares orgánicas, es más compleja de lo que se suponía". A los retos asociados a esto también se enfrentarán la unidad de investigación POPULAR de la DFG y la red de doctorado Marie-Skłodowska-Curie EIFFEL.
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