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Estudiar el espín para identificar nuevas normas de diseño de materiales con aplicación en la fotovoltaica orgánica

La tecnología fotovoltaica basada en electrónica orgánica tiene un gran potencial en el campo de la energía renovable. No obstante, es necesario obtener un conocimiento pormenorizado de los procesos de conversión energética a escala nanométrica para diseñar racionalmente materiales nuevos y mejorar la tecnología.

Energía

Los dispositivos de electrónica orgánica se basan en moléculas orgánicas pequeñas o polímeros con propiedades electrónicas útiles como la conductividad. El bajo coste y la facilidad de procesamiento aumentan su competitividad en el mercado energético, mientras que su flexibilidad y lo sencillo que resulta ajustarlas, incluidos distintos colores y grados de transparencia, hace que sea fácil integrarlas en diseños arquitectónicos. El proyecto financiado con fondos europeos SpinSolar se valió de la resonancia paramagnética electrónica (RPE) para caracterizar al detalle procesos dependientes del espín en materiales y moléculas orgánicas con aplicación en fotovoltaica y optoelectrónica. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie. «La detección del espín en materiales funcionales y la caracterización de su entorno e interacciones permiten conocer mejor cómo las propiedades moleculares determinan la función en posibles aplicaciones tecnológicas futuras», informa Jan Behrends, coordinador del proyecto.

Un mayor conocimiento de las relaciones entre estructuras y propiedades

Los investigadores emplearon la RPE para conocer mejor la naturaleza y las dinámicas de las moléculas paramagnéticas en nuevos materiales funcionales. Gracias a su selectividad para las moléculas que transportan electrones desapareados y porque además ofrece información directa sobre su entorno en la nanoescala, la RPE destaca entre las técnicas de caracterización utilizadas hoy en día para investigar estos materiales. Los miembros del equipo estudiaron la correlación entre las estructuras moleculares de moléculas y materiales orgánicos y sus propiedades electrónicas. Investigaron una serie de acenos torsionados, moléculas orgánicas basadas en anillos de benceno unidos que actúan como materiales activos en una serie de dispositivos de electrónica orgánica. Los resultados mostraron el modo en el que la distribución de electrones desapareados en el estado triplete fotoexcitado de la molécula cambió al torsionarse más allá de la planaridad y cómo esto afectó a sus propiedades. «Incluso cambios pequeños en el grado de torsión se muestran como cambios evidentes en el espectro RPE medido, lo que muestra la gran sensibilidad de esta técnica», explica Claudia Tait, beneficiaria de una subvención del programa Marie Skłodowska-Curie.

Nueva información sobre propiedades materiales relevantes

Uno de los principales retos de la electrónica orgánica es controlar la conductividad de los polímeros a través del dopaje molecular. Así, SpinSolar investigó el dopaje de P3HT, un polímero orgánico capaz de adquirir conductividad por oxidación y que podría utilizarse en celdas fotovoltaicas, transistores de efecto de campo y sensores químicos. «En un estudio realizado mediante la combinación de espectroscopia RPE y óptica, comparamos una serie de dopantes diferentes y distintas formas del polímero en un intento de identificar las propiedades moleculares relevantes para lograr un dopaje eficaz», apunta Behrends. La capacidad de la RPE para medir y caracterizar las especies paramagnéticas producidas por dopaje mostró que el mecanismo de dopaje está determinado principalmente por la capacidad del polímero de deslocalizar la carga adquirida, y no por el tamaño ni la forma de la molécula dopante. También descubrieron que cuatro dopantes diferentes pueden dar lugar a firmas espectrales de RPE muy distintas del sistema dopante-polímero y que es necesario contar con técnicas RPE de pulso avanzado en distintas bandas de frecuencia múltiple para lograr una caracterización precisa. SpinSolar demostró con éxito el potencial de la técnica RPE, sobre todo de los métodos de pulso avanzado, para abordar una amplia gama de cuestiones. Tait y Behrends concluyen: «El conocimiento sobre las correlaciones entre la estructura molecular y las propiedades electrónicas obtenidas con esta técnica tiene el potencial de influir en el diseño de nuevos materiales funcionales y combinaciones de nuevos materiales aplicados a la fotovoltaica y otros dispositivos electrónicos».

Palabras clave

SpinSolar, electrónica orgánica, resonancia paramagnética electrónica (RPE), fotovoltaico, dopaje molecular

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