Las OPV de mejor rendimiento desarrolladas por el equipo de CityU han logrado un PCE de más del 19 %, y el equipo espera superar el 20 % muy pronto. El descubrimiento es prometedor para la comercialización de OPV.

Los OPV, una tecnología de células solares basada en semiconductores orgánicos, se consideran un candidato prometedor para la energía limpia debido a su baja toxicidad material y su gran capacidad de ajuste molecular en materiales fotoactivos. Actualmente, la mayoría de los fotovoltaicos orgánicos de alto rendimiento adoptan una estructura de « heterounión a granel » (BHJ), que consta de materiales donantes y aceptores de electrones entremezclados en toda la capa activa del dispositivo (consulte la figura 1).

Al convertir la luz solar en electricidad en las OPV, la energía de la luz solar crea excitones (un electrón cargado negativamente y un hueco cargado positivamente unidos), que luego se disocian en electrones libres y huecos en la interfaz donante-aceptor a nanoescala, generando portadores de carga (fotocorriente) y de ahí la electricidad.

Sin embargo, si estos portadores de carga no son recolectados por los electrodos y se encuentran nuevamente en la interfaz donante-aceptor, pueden recombinarse para formar un llamado « excitón de triplete de espín » (T1) de baja energía, que se relaja consecutivamente hacia atrás. al estado fundamental, causando pérdida de energía en forma de calor y, por lo tanto, pérdida de fotocorriente. Este proceso irreversible limita fuertemente la PCE máxima alcanzable de las OPV.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Alex Jen Kwan-yue, profesor titular de la cátedra Lee Shau Kee de ciencia de los materiales y director del Instituto de Energía Limpia de Hong Kong en CityU, superó este obstáculo al inventar una nueva estrategia de ingeniería de dispositivos para suprimir la formación de T1 y minimizar la pérdida de recombinación asociada, que condujo a la eficiencia sin precedentes de las OPV.

« Somos el primer equipo que logró modular la formación de T1 a través de la ingeniería de dispositivos sin cambiar las propiedades de los materiales fotoactivos y revelar el mecanismo fundamental », dijo el profesor Jen. « Usando esta estrategia, la hemos ampliado a otros 14 sistemas materiales para mostrar la aplicabilidad universal de este estudio ». Sus hallazgos fueron publicados en la revista científica Nature Energy.

« En comparación con la arquitectura tradicional de heterounión a granel (BHJ) entremezclada, nuestra estrategia de heterounión plana-mixta (PMHJ) más bien separada es capaz de suprimir la vía de pérdida mediada por estados de transferencia de carga en la interfaz donante-aceptor ». explicó la profesora Jen. « Revelamos que tener menos contactos donante-aceptor en la heterounión mixta planar minimiza la posibilidad de recombinación y da como resultado una concentración reducida de T1. Esto cambia fundamentalmente la impresión previa de los investigadores sobre las OPV : cuantos más contactos donante-aceptor, mayor es la OPV rendimiento. »

« La compensación fotovoltaica-fotocorriente óptima lograda como resultado de nuestra estrategia permite que las OPV tengan una eficiencia competitiva comparable a la de la fotovoltaica inorgánica », agregó el Dr. Francis Lin, postdoctorado en el Departamento de Química, quien también participó en el estudio. Explicó que las células fotovoltaicas orgánicas tienen varias ventajas sobre sus contrapartes inorgánicas, como ser livianas y flexibles, como una película plástica delgada, y permitir una fabricación rentable, utilizando la producción de impresión de rollo a rollo.

El equipo cree que su último descubrimiento proporciona una base integral para que la energía fotovoltaica orgánica del futuro alcance su potencial y estimule una nueva ola de estudios sobre los procesos fotofísicos versátiles en los semiconductores orgánicos.

Están solicitando una patente para el descubrimiento. « Esperamos impulsar aún más el rendimiento de las OPV tras nuestro novedoso descubrimiento de la modulación de los procesos fotofísicos. Esto redefine el potencial máximo de las OPV para facilitar su comercialización », dijo el profesor Jen.

El profesor Jen y el Dr. Lin, de CityU, y el profesor Zhang Chunfeng, de la Universidad de Nanjing, son los autores correspondientes del artículo. Los primeros autores incluyen al Sr. Jiang Kui, estudiante de doctorado en el Departamento de Química de CityU, que participó en la investigación cuando era asistente de investigación en el grupo del profesor Jen.

La investigación fue apoyada por varias fuentes de financiación, incluida la Cátedra Lee Shau-Kee Dotada (Ciencia de los Materiales), CityU, la Comisión de Innovación y Tecnología de Hong Kong, el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong, el Proyecto Principal de Guangdong de Educación Básica y Aplicada. Investigación Básica, y el Laboratorio Conjunto Guangdong-Hong Kong-Macao de Materiales Funcionales Magnéticos y Optoelectrónicos.