En las células solares orgánicas, los polímeros a base de carbono convierten la luz en cargas que pasan a un aceptor. Este tipo de material tiene un gran potencial, pero para desbloquearlo, se necesita una mejor comprensión de la forma en que se producen y transportan las cargas a lo largo de los polímeros. Científicos de la Universidad de Groningen ahora han calculado cómo sucede esto al combinar simulaciones de dinámica molecular con cálculos cuánticos y han proporcionado conocimientos teóricos para interpretar datos experimentales. Los resultados se publicaron el 15 de marzo en el Journal of Physical Chemistry C.
Las células solares orgánicas son más delgadas que las células clásicas basadas en silicio y son flexibles y probablemente más fáciles de fabricar. Para mejorar su eficiencia, es importante comprender cómo viajan las cargas a través de la película de polímero. “Estas películas están formadas por un donante de electrones y un aceptor de electrones”, explica Elisa Palacino-González, investigadora postdoctoral del grupo de Teoría de la Materia Condensada del Instituto Zernike de Materiales Avanzados de la Universidad de Groningen (Países Bajos). “Las cargas se deslocalizan a lo largo de las cadenas de polímero entrelazadas y se transfieren del donante al aceptor en una escala de tiempo de menos de 100 femtosegundos. Por lo tanto, necesitamos estudios teóricos y simulaciones para comprender este proceso.’
transferencia de cargo
El sistema que estudió Palacino-González está formado por el plástico semiconductor P3HT como donante y PCBM, un polímero con una ‘buckyball’ C60, como aceptor. «Queríamos saber cómo se conducen las cargas a través del material para comprender cómo este material captura y transporta la energía. Porque si entendemos esto, puede ser posible controlarlo.’ Los estudios experimentales del material proporcionan alguna información, pero solo en procesos a granel. «Por lo tanto, combinamos simulaciones de dinámica molecular para determinar el movimiento de las moléculas en el material con cálculos de química cuántica para modelar atomísticamente el polímero donante, utilizando la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo».
Estos estudios teóricos se realizaron utilizando un polímero donante que estaba compuesto por doce monómeros. « Nos centramos principalmente en el donante para estudiar cómo se producen las excitaciones en el material ». Las simulaciones de dinámica molecular muestran el movimiento en el estado fundamental debido a los efectos térmicos. Palacino-González calculó esto para un período de 12,5 picosegundos, que fue suficiente para estudiar la transferencia de carga en femtosegundos.
Experimentos
“Y el siguiente paso fue superponer el mundo cuántico a estas moléculas”, continúa Palacino-González. Para hacer esto, comenzó con dímeros. ‘Dos monómeros uno al lado del otro en la cadena del polímero interactuarán, ‘hablarán’ entre sí. Esto provoca una división en los niveles de energía del dúo”, explica Palacino-González. Creó una ‘huella digital’ de la energía del dímero en forma de hamiltoniano, una matriz que contiene toda la información sobre un sistema molecular. ‘Cuando dos monómeros se alinean en forma paralela, los dos se acoplan y hablan entre sí. Pero cuando están en ángulos de 90 grados, la interacción es mínima.’
Tal ángulo forma una torcedura en la molécula, lo que dificulta la transferencia de energía a lo largo de la cadena del polímero. «Un análisis estadístico del material simulado, compuesto por 845 polímeros, muestra que aproximadamente la mitad de ellos están perfectamente alineados, mientras que la otra mitad presenta principalmente una o dos torceduras», afirma Palacino-González. A partir de los dímeros, calculó el hamiltoniano de 12 mers (compuesto por 6 dímeros). Sus cálculos incluyeron un número variable de torceduras en los polímeros donantes de 12 mer. « Estos estudios muestran la distribución de energía a lo largo de los polímeros y nos brindan un modelo realista para caracterizar el efecto del entorno creado por los materiales en las señales espectrales de las mezclas de polímeros aceptores, que es directamente comparable con los experimentos actuales en estos materiales ».
Descripción realista
Aunque el modelo es limitado, ya que solo permite que los monómeros interactúen con su vecino directo, los resultados brindan información importante sobre los resultados experimentales. “Nuestros cálculos se basan en principios básicos y esta es la primera vez que se realiza un análisis de este tipo, incluida la descripción realista del entorno de mezcla, para este material. Esto significa que ahora podemos ayudar a explicar los espectros generados a partir de estudios experimentales con mezclas de P3HT/PCBM. Por ejemplo, podemos mostrar cómo la distribución de tamaño cambia los espectros generados por la excitación de la luz láser», dice Palacino-González. ‘Ahora podemos observar el proceso de transferencia de carga ultrarrápida, desde el donante hasta el aceptor. Esto inspirará estudios teóricos sobre energía fotovoltaica orgánica y ayudará a los experimentadores a comprender sus resultados».