Las células solares orgánicas son una tecnología emergente con muchas promesas. A diferencia del omnipresente panel solar de silicio, tienen el potencial de ser livianos, flexibles y presentar una variedad de colores, lo que los hace particularmente atractivos para aplicaciones urbanas o de fachada. Sin embargo, los avances continuos en el rendimiento de los dispositivos han sido lentos a medida que los investigadores trabajan para comprender los procesos fundamentales que subyacen al funcionamiento de las células solares orgánicas.

Ahora, los ingenieros de la Universidad de Princeton y la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah han descrito una nueva forma de expresar la pérdida de energía en las células solares orgánicas y han ampliado esa descripción para hacer recomendaciones para diseñar los mejores dispositivos. Este avance podría reinventar el enfoque convencional para construir células solares orgánicas. Su trabajo fue publicado el 18 de noviembre en Joule.

«Había una forma en que la pérdida de energía en las células solares orgánicas se describía y definía tradicionalmente. Y resulta que esa descripción no era del todo correcta», dijo Barry Rand, coautor del estudio y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente.

Rand señaló que el método tradicional para describir la pérdida de energía no tenía en cuenta la presencia de desorden en una célula solar orgánica. Un tipo de desorden, el desorden dinámico, es causado por el movimiento errático de las moléculas a nivel micro, lo que lleva a una pérdida de energía que es prácticamente inevitable a la mayoría de las temperaturas. El otro tipo, desorden estructural o estático, es producto de las estructuras intrínsecas de los diversos materiales utilizados en una celda solar orgánica, así como su disposición dentro de un dispositivo.

Investigaciones anteriores sobre células solares orgánicas que no tuvieron en cuenta el desorden en los cálculos de pérdida de energía arrojaron valores de alrededor de 0,6 electronvoltios, independientemente de los materiales del dispositivo. Pero cuando Rand y su equipo incorporaron el desorden en la forma en que calcularon la pérdida de energía y probaron varios dispositivos, descubrieron que el nivel de desorden desempeñaba un papel importante en la determinación de la pérdida total de energía de una célula solar orgánica.

“A medida que aumenta el desorden de una celda solar, vemos que nuestro componente de pérdida de energía no radiativa, el componente sobre el que tenemos control, crece rápidamente”, dijo Rand. «La pérdida de energía no radiativa crece con el cuadrado del componente de desorden».

Después de demostrar que el aumento del desorden hace que la pérdida de energía aumente considerablemente en los dispositivos, los investigadores pudieron hacer recomendaciones sobre materiales que minimizan el desorden y, por lo tanto, conducen a dispositivos más eficientes. Dado que los científicos pueden elegir los materiales que utilizan y cómo organizarlos en una célula solar orgánica, tienen cierto control sobre el nivel de desorden estructural en un dispositivo determinado.

Al diseñar una celda solar orgánica, los investigadores pueden concentrarse en crear una mezcla homogénea de materiales, en la que las partes de una película sean todas cristalinas o todas amorfas, o una mezcla heterogénea, en la que algunas partes de una película sean cristalinas y otras partes son amorfos.

A través de su trabajo, el equipo de Rand demostró que cuando se trata de construir celdas solares orgánicas, las mezclas homogéneas son las más importantes. Para obtener un mejor rendimiento de las células solares orgánicas, Rand dijo que los científicos deberían usar materiales altamente cristalinos o altamente amorfos y evitar mezclarlos dentro de un dispositivo.

«Si tienes algo intermedio, alguna heterogeneidad en la que partes de una película son ligeramente cristalinas y algunas partes son amorfas, ahí es cuando pierdes la mayor cantidad de energía», dijo Rand.

Este hallazgo rompe con la convención, ya que los investigadores creían anteriormente que cierto nivel de heterogeneidad en las mezclas de células solares era beneficioso para el rendimiento general. Pero debido a que el equipo de Rand descubrió que las mezclas de dispositivos heterogéneos tenían altos niveles de desorden y perdían cantidades significativas de energía, dijo que su descubrimiento podría proporcionar un nuevo enfoque para los investigadores en su búsqueda de células solares orgánicas más eficientes.

«La heterogeneidad a menudo ha sido el punto focal de los dispositivos. Se pensó que cierto nivel de cristalinidad era beneficioso. Pero resulta que eso no es lo que vimos», dijo Rand. Señaló que muchas de las células solares orgánicas de mayor rendimiento en la actualidad están compuestas de películas altamente amorfas y sugirió que con las tecnologías existentes, las mezclas completamente amorfas son más pragmáticas que las completamente cristalinas.

Aunque la investigación de su equipo buscaba principalmente comprender la ciencia detrás de las células solares orgánicas, Rand tiene la esperanza de que otros puedan usar su trabajo para construir dispositivos más eficientes y, en última instancia, alcanzar nuevos puntos de referencia de rendimiento para esta prometedora tecnología solar.

«Este descubrimiento es otro aspecto de las células solares orgánicas que podemos agregar a lo que ya sabemos, lo que nos ayudará a mejorar su eficiencia en el futuro», dijo Rand.