Las células solares orgánicas (OSC) son atractivas debido a su ligereza, flexibilidad y alta eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, la falta de control de la morfología de la capa activa dificulta el desarrollo de OSC con grandes áreas activas. Ahora, los investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, llevan las cosas al siguiente nivel mediante el uso del tratamiento del agua para el control de la morfología en la fabricación de películas delgadas de capa activa, mejorando el rendimiento y la estabilidad de las OSC de área grande.

Las células solares orgánicas (OSC), que utilizan polímeros orgánicos para convertir la luz solar en electricidad, han recibido una atención considerable en los últimos tiempos por sus propiedades deseables como fuentes de energía de próxima generación. Estos incluyen ligereza, flexibilidad, escalabilidad y una alta eficiencia de conversión de energía (>19 %). Actualmente, existen varias estrategias para mejorar el rendimiento y la estabilidad de los OSC. Sin embargo, un problema que persiste es la dificultad de controlar la morfología de la capa activa en las OSC cuando se amplía a grandes áreas. Esto hace que sea un desafío obtener películas delgadas de capa activa de alta calidad y, a su vez, ajustar la eficiencia del dispositivo.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, se dispuso a abordar este problema. En su trabajo, publicado en Advanced Functional Materials, sugirieron una solución que parece bastante contraria a la intuición a primera vista : utilizar el tratamiento del agua para controlar la morfología de la capa activa. «Se sabe que el agua dificulta el rendimiento de los dispositivos electrónicos orgánicos, ya que permanece en los ‘estados de trampa’ del material orgánico, bloqueando el flujo de carga y degradando el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, pensamos que usar agua en lugar de un solvente orgánico- La solución activa a base de agua como medio de método de tratamiento permitiría los cambios físicos necesarios sin causar reacciones químicas», explica el profesor Dong-Yu Kim, quien dirigió el estudio.

Los investigadores eligieron los polímeros PTB7-Th y PM6 como materiales donantes y PC61BM y EH-IDTBR e Y6 como materiales aceptores para la capa activa. Se dieron cuenta de que inducir un vórtice para mezclar los materiales donante y aceptor en la solución activa podría conducir a una solución activa bien mezclada, pero no era suficiente por sí solo. La solución activa era hidrofóbica y, en consecuencia, los investigadores decidieron usar agua desionizada (DI) y vórtices para agitar la solución. Dejaron que los materiales donantes y aceptores se asentaran en clorobenceno (solución activa del huésped) durante la noche, y luego agregaron agua desionizada en la solución y la agitaron, creando pequeños vórtices. Debido a la naturaleza hidrófoba de la solución, el agua empujó las moléculas donadoras y aceptoras, haciendo que se disolvieran más finamente en la solución. Luego dejaron reposar la solución, lo que provocó que el agua se separara de la solución. Esta agua luego se eliminó y la solución activa tratada con agua se usó para preparar películas delgadas de PTB7-Th: PC61BM (F, fullereno), PTB7-Th: EH-IDTBR (NF, fullereno) y PM6 : Y6 (H- NF, no fullereno de alta eficiencia).

Luego, los investigadores examinaron el rendimiento fotovoltaico de estas películas delgadas en una configuración de OSC invertida recubierta con ranura y las compararon con las de los OSC sin tratamiento de agua.

«Observamos que la solución activa tratada con agua dio lugar a películas delgadas de capa activa más uniformes, que mostraron mayores eficiencias de conversión de energía en comparación con las que no se trataron con agua. Además, fabricamos módulos OSC de gran área con un área activa de 10 cm2 , que mostró una eficiencia de conversión de hasta el 11,92 % para películas H-NF tratadas con agua», destaca el profesor Kim.

En general, este estudio proporciona una guía para desarrollar OSC eficientes a gran escala utilizando un método notablemente fácil, económico y ecológico, que puede abrir las puertas a su realización y comercialización.