Nueva óptica sobre los mecanismos fundamentales en las células solares orgánicas
La fotovoltaica orgánica es un campo de investigación muy activo que, dentro de la disciplina más amplia de la electrónica orgánica, se enfrenta a desafíos para entender la estructura material y las propiedades resultantes. La investigación ayudará a descubrir materiales orgánicos avanzados con lo que construir células solares mejoradas más ligeras, económicas y flexibles, características que crearán nuevas posibilidades para las células solares y la electrónica. Aunque el trabajo de modelado es un aspecto fundamental para el diseño de materiales mejorados, las herramientas informáticas que conectan la longitud y las escalas temporales relacionadas con los procesos electrónicos en materiales orgánicos aún no están disponibles de manera generalizada. Para abordar esta necesidad, el equipo investigador del proyecto BEST desarrolló con éxito una plataforma integrada de modelado multiescala que describe con mayor precisión los procesos electrónicos fundamentales que se producen en los semiconductores orgánicos. Un objetivo esencial del proyecto fue el análisis de la excitación óptica de los materiales activos, los cuales suelen incluir una mezcla de receptor de electrones a base de fullereno y donante de electrones a base de polímeros, así como el estudio de la dispersión de dicha excitación en las moléculas para convertirse en cargas separadas que generan electricidad. Los resultados de la investigación mostraron que los estados electrónicos en derivados solubles del fullereno se caracterizan por la presencia de portadores locales de carga a temperatura ambiente que sustentan los estados de alta energía. Mediante un aumento de las distancias entre electrones y huecos, la deslocalización de los estados excitados permite reducir las pérdidas energéticas recombinando cargas, un proceso que limita considerablemente la eficiencia de las células solares orgánicas. Otra parte del proyecto BEST se centró en el análisis de mecanismos poco estudiados de fisión singlete en materiales orgánicos. Las células solares sensibilizadas con un material de fisión singlete pueden elevar significativamente la eficacia de conversión de energía. Mediante la combinación del trabajo de modelado y las mediciones de espectroscopia de resolución temporal, el equipo del proyecto obtuvo más información sobre la compleja estructura electrónica y las propiedades en estado de excitación de los cocristales de pentaceno-perfluoropentaceno. La falta de un conocimiento preciso sobre los mecanismos de dopaje molecular en semiconductores orgánicos es uno de los principales factores que dificultan una adopción generalizada de las células solares orgánicas. El equipo investigador propuso un modelo general para el estudio del dopaje molecular que puede parametrizarse completamente desde los cálculos de los primeros principios y que permite describir con mayor precisión las relaciones entre estructura y propiedades en los semiconductores dopados. El trabajo teórico y computacional liderado por el proyecto BEST debería favorecer el diseño de materiales orgánicos avanzados para construir células solares más eficientes.
Palabras clave
Células solares orgánicas, procesos electrónicos, BEST, semiconductores orgánicos, fisión singlete
