Impurezas que mejoran el rendimiento de las células solares orgánicas

La luz solar ofrece una solución potencial en la búsqueda de una fuente de energía que no dañe el planeta, pero esto depende de encontrar una manera de convertir eficientemente dicha energía electromagnética en electricidad. Los investigadores de KAUST han demostrado cómo un herbicida conocido puede mejorar esta conversión en dispositivos solares orgánicos.

Mientras que las células solares han sido tradicionalmente hechas de materiales inorgánicos como el silicio, los materiales orgánicos están comenzando a abrirse paso como una alternativa porque son livianos, flexibles y relativamente baratos de fabricar, incluso ofreciendo la posibilidad de ser impresos.

Para que la energía fotovoltaica orgánica se convierta en un sustituto realista de los combustibles fósiles, debe mejorar su eficiencia al convertir la fracción de energía solar incidente en energía eléctrica. La clave para lograr esto es elegir la combinación correcta de materiales.

El estudiante de doctorado Yuanbao Lin y Thomas Anthopoulos han logrado esto desarrollando "un dopante molecular eficiente para mejorar el rendimiento y la estabilidad de las células solares orgánicas", según Lin.

La mayoría de los dispositivos fotovoltaicos tienen dos elementos importantes: una región de tipo n y una región p, llamadas así porque cada región tiene una carga eléctrica neta negativa y positiva, respectivamente. Estas cargas pueden lograrse añadiendo impurezas al semiconductor. Una impureza que cree un material de tipo n se conoce como donante, mientras que una impureza aceptora crea un material de tipo p.

La adición de diquat, un conocido herbicida, como dopante mejora la eficiencia de conversión de las células solares orgánicas de alto rendimiento. (Foto: © 2021 Yuanbao Lin)

Lin, Anthopoulos y su equipo utilizaron el herbicida diquat (C12H12Br2N2) como dopante de un donante molecular para mejorar la eficiencia de conversión de las células solares orgánicas de alto rendimiento.

El dopante se añadió a dos sistemas de material orgánico que previamente han mostrado un excelente rendimiento fotovoltaico. En un caso, la eficiencia de conversión de energía se mejoró del 16,7% al 17,4%, mientras que en el otro pudieron alcanzar una eficiencia máxima del 18,3%. Estas mejoras fueron posibles porque el dopante diquat aumentó tanto la absorción óptica de los materiales como la vida útil de las cargas eléctricas cuando se absorbió la luz.

Al igual que muchos dopantes orgánicos de tipo n, el diquat es reactivo en una atmósfera ambiental; su falta de estabilidad ha impedido hasta ahora su uso como dopante molecular. Sin embargo, el equipo de KAUST fue capaz de desarrollar un proceso que creó de forma estable  diquat neutro reduciendo electroquímicamente el diquat cargado, que es estable en el aire.

Esta capacidad hace que el diquat sea una opción prometedora para la próxima generación de células solares orgánicas. "La eficiencia máxima predicha de la célula solar orgánica es de alrededor del 20 por ciento", explica Lin. "Haremos todo lo posible por alcanzarla". (Fuente: NCYT Amazings)