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Una vista al interior de las celdas fotovoltaicas orgánicas podría mejorar su eficacia

Las celdas fotovoltaicas orgánicas poseen el potencial de convertirse en una fuente de energía renovable barata y fácil tanto de desplegar como de expandir. Físicos de la Universidad de Oxford han estudiado algunos de los principios científicos fundamentales de la formación y funcionamiento de estas celdas.
Una vista al interior de las celdas fotovoltaicas orgánicas podría mejorar su eficacia
La energía solar actualmente representa menos del 2 % de la electricidad generada en el mundo, pero podría realizar una gran aportación a la sostenibilidad. Alcanzar una escala adecuada implica desplegarla en una amplia superficie. «Necesitamos varios miles de kilómetros cuadrados para influir en el suministro energético mundial, de modo que es esencial una escalabilidad rápida y a bajo coste», afirma el profesor Moritz Riede, el investigador principal de OSC Go y profesor adjunto de nanomateriales funcionales blandos en Oxford. «Lo ideal sería poder cubrir kilómetros cuadrados con celdas fotovoltaicas de un modo rápido y barato».

La mayoría de los sistemas solares disponibles en el mercado se basan en semiconductores de silicio inorgánico. La tecnología fotovoltaica orgánica obtenida del carbono podría ofrecer numerosas ventajas: es ligera y flexible, está disponible en diferentes colores y se fabrica de forma económica con procesos a baja temperatura. Lamentablemente, en la actualidad también resulta mucho menos eficiente en la conversión de la luz solar en electricidad que los sistemas convencionales basados en el silicio.

El equipo de OSC Go ha dedicado los últimos cuatro años a explorar algunas de las cuestiones fundamentales de la fabricación de las celdas fotovoltaicas orgánicas (OSC) con el fin de mejorar su rendimiento.

Observando la deposición

Las relaciones estructura-propiedad han sido uno de los puntos centrales de su investigación, dado que la disposición de las moléculas en el interior de la celda fotovoltaica orgánica puede influir considerablemente en su rendimiento. El equipo diseñó modos de utilizar luz de diferentes longitudes de onda, desde rayos X hasta infrarrojos cercanos, para averiguar cómo se disponen las moléculas en películas finas. «Esto suele investigarse cuando está completamente formado, tras la finalización del proceso, pero nosotros podemos observar las moléculas durante el proceso de deposición», explica el profesor Riede, «así podemos ver cómo se acumulan las moléculas y cómo podríamos manipular su disposición».

Mediante Fullerene C60, un material empleado con frecuencia en la fabricación de OSC, el equipo logró observar cómo pueden formarse defectos en estas películas delgadas e incluso influir en el resultado. «Hemos observado fallos en el apilamiento de estos componentes en una determinada dirección molecular», añade el profesor Riede, «esto nos suministró importantes datos sobre el nivel estructural para interpretar cómo funcionan tales dispositivos».

Grandes modelos de referencia

En una celda fotovoltaica orgánica, la luz solar se absorbe en las capas fotoactivas, que normalmente están formadas por una mezcla de dos materiales (donantes de electrones y moléculas receptoras), donde se convierte en electricidad. Los investigadores de OSC Go dedicaron tiempo a evaluar el rendimiento de las celdas fotovoltaicas de heterounión diluida, aquellas en que el contenido de donantes es de un 5 % como máximo.

«Se descubrió que estos dispositivos funcionaban sorprendentemente bien», comenta el profesor Riede, «de modo que hemos estado estudiando celdas puras de C60 para ver cómo se acumulan las moléculas, además de cómo se acumulan y actúan en presencia de otras moléculas. Estos dispositivos son magníficos modelos de sistemas y hemos intentando aunar los resultados microestructurales con los fotofísicos».

El tercer ámbito de estudio fue el efecto de los cambios en la microestructura sobre el rendimiento de los dispositivos. En colaboración con la empresa química Merck, el equipo investigó qué ocurre cuando se somete la película de OSC a altas temperaturas o se expone a la luz solar durante largos periodos de tiempo, algo que se producirá durante su utilización. «Medimos los cambios en la microestructura con rayos X y otros métodos, y pudimos relacionar estos cambios con cambios en el rendimiento de las OSC», señala el profesor Riede, «esto nos permite buscar modos de inhibirlos».

El profesor Riede considera que una mejor comprensión de lo que ocurre a nanoescala resultará de gran utilidad para decidir qué materiales emplear para fabricar OSC eficientes.

«Existe una gran variedad de materiales que se pueden utilizar; además, estos materiales se pueden afinar y su rendimiento se puede mejorar mediante un diseño químico inteligente y mediante buenas condiciones de fabricación», afirma, «pero, para ello, es necesario comprender los principios fundamentales».

Palabras clave

OSC Go, celdas fotovoltaicas orgánicas, tecnología fotovoltaica orgánica, energía solar, Fullerene C60, microestructura
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