Cómo los semiconductores orgánicos están revolucionando la energía solar

Los investigadores han mejorado la captación de energía solar mediante el desarrollo de semiconductores orgánicos que ofrecen una alternativa más barata y adaptable al silicio. Un avance reciente revela que estos materiales pueden lograr mayores eficiencias a través de un mecanismo único donde los electrones ganan energía, allanando el camino para células solares y tecnologías de producción de combustible más efectivas.

La energía solar desempeña un papel vital en la transición hacia un futuro de energía limpia. Normalmente, el silicio, un semiconductor común que se encuentra en la electrónica cotidiana, se utiliza para recolectar energía solar. Sin embargo, los paneles solares de silicio tienen limitaciones: son costosos y difíciles de instalar en superficies curvas.

Para solucionar estas deficiencias, los investigadores han desarrollado materiales alternativos para la captación de energía solar. Entre los más prometedores se encuentran los llamados semiconductores “orgánicos”, semiconductores basados ​​en carbono que abundan en la Tierra, son más baratos y respetuosos con el medio ambiente.

"Pueden potencialmente reducir el costo de producción de los paneles solares porque estos materiales pueden recubrirse sobre superficies arbitrarias usando métodos basados ​​en soluciones, tal como pintamos una pared", dijo Wai-Lun Chan, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad. de Kansas. “Estos materiales orgánicos pueden sintonizarse para absorber luz en longitudes de onda seleccionadas, que pueden usarse para crear paneles solares transparentes o paneles con diferentes colores. Estas características hacen que los paneles solares orgánicos sean particularmente adecuados para su uso en edificios ecológicos y sostenibles de próxima generación”.

Si bien los semiconductores orgánicos ya se han utilizado en el panel de visualización de productos electrónicos de consumo como teléfonos móviles, televisores y auriculares de realidad virtual, todavía no se han utilizado ampliamente en paneles solares comerciales. Una desventaja de las células solares orgánicas ha sido su baja eficiencia de conversión de luz en electricidad, alrededor del 12% en comparación con las células solares de silicio monocristalino que funcionan con una eficiencia del 25%.

Según Chan, los electrones de los semiconductores orgánicos suelen unirse a sus homólogos positivos conocidos como "agujeros". De esta manera, la luz absorbida por los semiconductores orgánicos a menudo produce cuasipartículas eléctricamente neutras conocidas como "excitones".

Pero el reciente desarrollo de una nueva clase de semiconductores orgánicos conocidos como aceptores no fullerenos (NFA) cambió este paradigma. Las células solares orgánicas fabricadas con NFA pueden alcanzar una eficiencia cercana al 20%.

A pesar de su excelente rendimiento, la comunidad científica aún no tiene claro por qué esta nueva clase de NFA supera significativamente a otros semiconductores orgánicos.

En un estudio innovador que aparece en Advanced Materials, Chan y su equipo, incluidos los estudiantes graduados Kushal Rijal (autor principal), Neno Fuller y Fatimah Rudayni del departamento de Física y Astronomía, y en colaboración con Cindy Berrie, profesora de química en KU, han descubierto un mecanismo microscópico que soluciona en parte el extraordinario rendimiento conseguido por una NFA.

El autor principal, Kushal Rijal (derecha) y Neno Fuller (izquierda) realizaron la medición TR-TPPE utilizando el sistema de espectroscopía de fotoemisión de vacío ultraalto que se muestra en la imagen. Crédito: Kushal y Fuller

La clave de este descubrimiento fueron las mediciones tomadas por el autor principal, Rijal, utilizando una técnica experimental denominada "espectroscopia de fotoemisión de dos fotones resuelta en el tiempo" o TR-TPPE. Este método permitió al equipo rastrear la energía de los electrones excitados con una resolución temporal de subpicosegundos (menos de una billonésima de segundo).

"En estas mediciones, Kushal [Rijal] observó que algunos de los electrones excitados ópticamente en la NFA pueden obtener energía del medio ambiente en lugar de perderla", dijo Chan. "Esta observación es contradictoria porque los electrones excitados normalmente pierden su energía hacia el medio ambiente como una taza de café caliente pierde su calor hacia el entorno".

El equipo, cuyo trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, cree que este proceso inusual ocurre a escala microscópica gracias al comportamiento cuántico de los electrones, que permite que un electrón excitado aparezca simultáneamente en varias moléculas. Esta rareza cuántica se combina con la Segunda Ley de la Termodinámica, que sostiene que todo proceso físico conducirá a un aumento de la entropía total (a menudo conocido como "desorden") para producir el proceso inusual de ganancia de energía.

"En la mayoría de los casos, un objeto caliente transfiere calor a su entorno frío porque la transferencia de calor conduce a un aumento de la entropía total", dijo Rijal. “Pero descubrimos que para las moléculas orgánicas dispuestas en una estructura específica a nanoescala, la dirección típica del flujo de calor se invierte para que aumente la entropía total. Este flujo de calor inverso permite que los excitones neutros ganen calor del ambiente y se disocian en un par de cargas positivas y negativas. Estas cargas gratuitas pueden a su vez producir corriente eléctrica”.