Una célula solar orgánica ( OSC [1] ) o célula solar plástica es un tipo de fotovoltaica que utiliza electrónica orgánica , una rama de la electrónica que se ocupa de polímeros orgánicos conductores o pequeñas moléculas orgánicas, [2] para la absorción de luz y el transporte de carga para producir electricidad a partir de la luz solar por el efecto fotovoltaico . La mayoría de las células fotovoltaicas orgánicas son células solares poliméricas .
Las moléculas utilizadas en las células solares orgánicas se pueden procesar en solución a un alto rendimiento y son baratas, lo que resulta en bajos costos de producción para fabricar un gran volumen. [3] Combinadas con la flexibilidad de las moléculas orgánicas , las células solares orgánicas son potencialmente rentables para aplicaciones fotovoltaicas. [4] La ingeniería molecular ( por ejemplo, cambiar la longitud y el grupo funcional de los polímeros ) puede cambiar la brecha de banda , lo que permite la sintonización electrónica. El coeficiente de absorción óptica de las moléculas orgánicas es alto, por lo que se puede absorber una gran cantidad de luz con una pequeña cantidad de materiales, generalmente del orden de cientos de nanómetros. Las principales desventajas asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas son la baja eficiencia , la baja estabilidad y la baja resistencia en comparación con las células fotovoltaicas inorgánicas, como las células solares de silicio .
En comparación con los dispositivos basados en silicio , las células solares de polímero son ligeras (lo cual es importante para sensores autónomos pequeños), potencialmente desechables y económicas de fabricar (a veces utilizando electrónica impresa ), flexibles, personalizables a nivel molecular y potencialmente tienen un impacto ambiental menos adverso. Las células solares de polímero también tienen el potencial de exhibir transparencia, lo que sugiere aplicaciones en ventanas, paredes, electrónica flexible, etc. Un dispositivo de ejemplo se muestra en la Figura 1. Las desventajas de las células solares de polímero también son serias: ofrecen aproximadamente 1/3 de la eficiencia de los materiales duros y experimentan una degradación fotoquímica sustancial. [5]
Los problemas de estabilidad de las células solares de polímero [6], combinados con su promesa de bajos costos [7] y el potencial de aumentar la eficiencia [8], las han convertido en un campo popular en la investigación de células solares. En 2015, las células solares de polímero lograron eficiencias de más del 10 % a través de una estructura en tándem. [9] En 2023, la Universidad Politécnica de Hong Kong logró un nuevo récord de eficiencia del 19,3 % . [10]
Una célula fotovoltaica es un diodo semiconductor especializado que convierte la luz en electricidad de corriente continua (CC). Dependiendo de la brecha de banda del material que absorbe la luz, las células fotovoltaicas también pueden convertir fotones infrarrojos (IR) de baja energía o ultravioleta (UV) de alta energía en electricidad de CC. Una característica común tanto de las moléculas pequeñas como de los polímeros (Fig. 3) utilizados como material absorbente de luz en la energía fotovoltaica es que todos tienen grandes sistemas conjugados . Un sistema conjugado se forma donde los átomos de carbono se unen covalentemente con enlaces simples y dobles alternos. Los orbitales pz de estos electrones de hidrocarburos se deslocalizan y forman un orbital de enlace π deslocalizado con un orbital antienlazante π* . El orbital π deslocalizado es el orbital molecular ocupado más alto ( HOMO ), y el orbital π* es el orbital molecular desocupado más bajo ( LUMO ). En la física de semiconductores orgánicos, el HOMO cumple el papel de banda de valencia , mientras que el LUMO actúa como banda de conducción . La separación de energía entre los niveles de energía del HOMO y el LUMO se considera la brecha de banda de los materiales electrónicos orgánicos y, por lo general, se encuentra en el rango de 1 a 4 eV . [11]
Toda la luz con energía mayor que la brecha de banda del material puede ser absorbida, aunque existe una compensación para reducir la brecha de banda ya que los fotones absorbidos con energías mayores que la brecha de banda emitirán térmicamente su exceso de energía, lo que resultará en voltajes más bajos y eficiencias de conversión de energía. Cuando estos materiales absorben un fotón , se crea un estado excitado y se limita a una molécula o una región de una cadena de polímero. El estado excitado puede considerarse como un excitón o un par electrón-hueco unido por interacciones electrostáticas . En las células fotovoltaicas, los excitones se descomponen en pares electrón-hueco libres por campos efectivos. Los campos efectivos se establecen creando una heterojunción entre dos materiales diferentes. En la fotovoltaica orgánica, los campos efectivos descomponen los excitones haciendo que el electrón caiga de la banda de conducción del absorbente a la banda de conducción de la molécula aceptora. Es necesario que el material aceptor tenga un borde de banda de conducción que sea más bajo que el del material absorbente. [12] [13] [14] [15]
Las células solares poliméricas suelen estar formadas por una capa de bloqueo de electrones o huecos sobre un vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ITO), seguida de un donador de electrones y un aceptor de electrones (en el caso de las células solares de heterojunción en masa), una capa de bloqueo de huecos o electrones y un electrodo metálico en la parte superior. La naturaleza y el orden de las capas de bloqueo (así como la naturaleza del electrodo metálico) dependen de si la célula sigue una arquitectura de dispositivo regular o invertida. En una célula invertida, las cargas eléctricas salen del dispositivo en la dirección opuesta a la de un dispositivo normal porque los electrodos positivo y negativo están invertidos. Las células invertidas pueden utilizar cátodos de un material más adecuado; las OPV invertidas disfrutan de una vida útil más larga que las OPV de estructura regular y suelen mostrar una mayor eficiencia en comparación con sus homólogas convencionales. [16]
En las células solares de polímeros de heterojunción en masa, la luz genera excitones. La posterior separación de cargas en la interfaz entre un donador de electrones y un aceptor se mezcla dentro de la capa activa del dispositivo. Estas cargas luego se transportan a los electrodos del dispositivo, donde fluyen fuera de la célula, realizan trabajo y luego vuelven a ingresar al dispositivo en el lado opuesto. La eficiencia de la célula está limitada por varios factores, especialmente la recombinación no geminada . La movilidad de los huecos conduce a una conducción más rápida a través de la capa activa. [17] [18]
Los sistemas fotovoltaicos orgánicos están hechos de materiales donantes y aceptores de electrones en lugar de uniones p-n semiconductoras . Las moléculas que forman la región donadora de electrones de las células fotovoltaicas orgánicas, donde se generan pares electrón-hueco de excitones , son generalmente polímeros conjugados que poseen electrones π deslocalizados que resultan de la hibridación del orbital p del carbono. Estos electrones π pueden ser excitados por la luz en o cerca de la parte visible del espectro desde el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de la molécula hasta el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), denotado por una transición π -π*. La banda prohibida de energía entre estos orbitales determina qué longitud(es) de onda de luz se pueden absorber .
A diferencia de un material de célula fotovoltaica cristalina inorgánica, con su estructura de bandas y electrones deslocalizados, los excitones en la energía fotovoltaica orgánica están fuertemente unidos con una energía entre 0,1 y 1,4 eV . Esta fuerte unión se produce porque las funciones de onda electrónicas en las moléculas orgánicas están más localizadas y, por lo tanto, la atracción electrostática puede mantener juntos al electrón y al hueco como un excitón. El electrón y el hueco se pueden disociar proporcionando una interfaz a través de la cual disminuye el potencial químico de los electrones. El material que absorbe el fotón es el donante y el material que adquiere el electrón se denomina aceptor. En la figura 3, la cadena de polímero es el donante y el fulereno es el aceptor. Incluso después de la disociación, el electrón y el hueco todavía pueden estar unidos como un " par geminado ", y luego se requiere un campo eléctrico para separarlos. El electrón y el hueco deben recogerse en los contactos. Si la movilidad de los portadores de carga es insuficiente, estos no llegarán a los contactos y, en su lugar, se recombinarán en los sitios de trampa o permanecerán en el dispositivo como cargas espaciales indeseables que se oponen al flujo de nuevos portadores. Este último problema puede ocurrir si las movilidades de los electrones y los huecos no coinciden. En ese caso, la fotocorriente limitada por la carga espacial (SCLP) obstaculiza el rendimiento del dispositivo.
La energía fotovoltaica orgánica se puede fabricar con un polímero activo y un aceptor de electrones basado en fulerenos. La iluminación de este sistema con luz visible conduce a la transferencia de electrones desde el polímero a una molécula de fulereno. Como resultado, se produce la formación de una cuasipartícula fotoinducida , o polarón (P + ), en la cadena del polímero y el fulereno se convierte en un anión radical ( C−
60). Los polarones son muy móviles y pueden difundirse.
En las células solares orgánicas, las uniones son las interfaces entre las diferentes capas o materiales dentro de la estructura del dispositivo. Estas interfaces contribuyen a la separación y recolección de portadores de carga (electrones y huecos) que se generan cuando se absorbe la luz solar. Las propiedades y estructuras de estas uniones afectan la eficiencia, la estabilidad y el rendimiento general de las células solares orgánicas.
El dispositivo fotovoltaico orgánico más simple presenta una heterojunción planar (Fig. 1). Una película de material activo orgánico (polímero o molécula pequeña), de tipo donador o aceptor de electrones, se intercala entre los contactos. Los excitones creados en el material activo pueden difundirse antes de recombinarse y separarse, difundiendo el hueco y el electrón a su electrodo colector específico. Debido a que los portadores de carga tienen longitudes de difusión de solo 3 a 10 nm en semiconductores orgánicos amorfos típicos , las celdas planares deben ser delgadas, pero las celdas delgadas absorben la luz menos bien. Las heterojunciones en masa (BHJ) solucionan esta deficiencia. En una BHJ, una mezcla de materiales donantes y aceptores de electrones se moldea como una mezcla, que luego se separa en fases. Las regiones de cada material en el dispositivo están separadas por solo unos pocos nanómetros, una distancia adecuada para la difusión del portador. Las BHJ requieren un control sensible sobre la morfología de los materiales en la nanoescala. Las variables importantes incluyen materiales, solventes y la relación de peso donador-aceptor.
El siguiente paso lógico más allá de las uniones heterogéneas son los nanomateriales ordenados para células solares, o heterojunciones ordenadas (OHJ). Las OHJ minimizan la variabilidad asociada con las BHJ. Las OHJ son generalmente híbridos de materiales inorgánicos ordenados y regiones activas orgánicas. Por ejemplo, un polímero fotovoltaico se puede depositar en poros en una cerámica como TiO2 . Dado que los agujeros todavía deben difundirse a lo largo del poro a través del polímero hasta un contacto, las OHJ sufren limitaciones de espesor similares. Mitigar el cuello de botella de la movilidad de los agujeros es clave para mejorar aún más el rendimiento del dispositivo de las OHJ.
Las células fotovoltaicas orgánicas de una sola capa son la forma más simple. Estas células se fabrican intercalando una capa de materiales electrónicos orgánicos entre dos conductores metálicos, normalmente una capa de óxido de indio y estaño (ITO) con una función de trabajo elevada y una capa de metal con una función de trabajo baja, como el aluminio, el magnesio o el calcio. La estructura básica de una célula de este tipo se ilustra en la figura 5.
La diferencia de la función de trabajo entre los dos conductores establece un campo eléctrico en la capa orgánica. Cuando la capa orgánica absorbe luz, los electrones se excitarán hacia el LUMO y dejarán huecos en el HOMO, formando así excitones . El potencial creado por las diferentes funciones de trabajo ayuda a dividir los pares de excitones, atrayendo electrones hacia el electrodo positivo (un conductor eléctrico utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito) y huecos hacia el electrodo negativo. [12] [13] [14]
En 1958 se descubrió que el efecto fotovoltaico o la creación de voltaje de una celda basada en ftalocianina de magnesio (MgPc), un compuesto macrocíclico que tiene una estructura de anillo de átomos de nitrógeno y átomos de carbono alternados, tenía un fotovoltaje de 200 mV. [19] Una celda de Al/MgPc/Ag obtuvo una eficiencia fotovoltaica de 0,01% bajo iluminación a 690 nm. [20]
Los polímeros conjugados también se utilizaron en este tipo de células fotovoltaicas. Un dispositivo utilizó poliacetileno (Fig. 1) como capa orgánica, con Al y grafito , produciendo un voltaje de circuito abierto de 0,3 V y una eficiencia de recolección de carga del 0,3 %. [21] Una célula de Al/poli(3-metil-tiofeno)/Pt tuvo un rendimiento cuántico externo del 0,17 %, un voltaje de circuito abierto de 0,4 V y un factor de llenado de 0,3. [22] Una célula de ITO/PPV/Al mostró un voltaje de circuito abierto de 1 V y una eficiencia de conversión de potencia del 0,1 % bajo iluminación de luz blanca. [23]
Las células solares orgánicas de una sola capa no funcionan bien. Tienen una eficiencia cuántica baja (<1%) y una eficiencia de conversión de potencia baja (<0,1%). Un problema importante es que el campo eléctrico resultante de la diferencia entre los dos electrodos conductores rara vez es suficiente para dividir los excitones. A menudo, los electrones se recombinan con los huecos sin llegar al electrodo.
Las células bicapa contienen dos capas entre los electrodos conductores (Fig. 6). Las dos capas tienen diferente afinidad electrónica y energías de ionización , por lo tanto, se generan fuerzas electrostáticas en la interfaz entre las dos capas. La luz debe crear excitones en esta pequeña región cargada para una eficiente separación y recolección de carga. Los materiales se eligen para hacer que las diferencias sean lo suficientemente grandes como para que estos campos eléctricos locales sean fuertes, lo que divide los excitones de manera mucho más eficiente que las células fotovoltaicas de una sola capa. La capa con mayor afinidad electrónica y potencial de ionización es el aceptor de electrones, y la otra capa es el donante de electrones. Esta estructura también se denomina heterojunción donante-aceptor planar . [12] [13] [14] [15]
El C 60 tiene una alta afinidad electrónica, lo que lo convierte en un buen aceptor. La celda de doble capa AC 60 /MEH-PPV tuvo un factor de llenado relativamente alto de 0,48 y una eficiencia de conversión de potencia del 0,04 % bajo iluminación monocromática. [24] Las celdas PPV/C 60 mostraron una eficiencia cuántica externa monocromática del 9 %, una eficiencia de conversión de potencia del 1 % y un factor de llenado de 0,48. [25]
Los derivados de perileno muestran una alta afinidad electrónica y estabilidad química. Una capa de ftalocianina de cobre (CuPc) como donante de electrones y un derivado tetracarboxílico de perileno como aceptor de electrones, fabricando una celda con un factor de llenado tan alto como 0,65 y una eficiencia de conversión de potencia del 1% bajo iluminación AM2 simulada. [26] Halls et al. fabricaron una celda con una capa de bis(fenetilimido) perileno sobre una capa de PPV como donante de electrones. Esta celda tenía una eficiencia cuántica externa máxima del 6% y una eficiencia de conversión de potencia del 1% bajo iluminación monocromática, y un factor de llenado de hasta 0,6. [27]
La longitud de difusión de los excitones en los materiales electrónicos orgánicos es típicamente del orden de 10 nm. Para que la mayoría de los excitones se difundan hasta la interfaz de las capas y se dividan en portadores, el espesor de la capa debe estar en el mismo rango que la longitud de difusión. Sin embargo, una capa de polímero normalmente necesita un espesor de al menos 100 nm para absorber suficiente luz. Con un espesor tan grande, solo una pequeña fracción de los excitones puede alcanzar la interfaz de la heterojunción.
Una pila de tres capas (dos aceptoras y una donadora) sin fulerenos logró una eficiencia de conversión del 8,4 %. La implementación produjo altos voltajes de circuito abierto y absorción en los espectros visibles y altas corrientes de cortocircuito. La eficiencia cuántica fue superior al 75 % entre longitudes de onda de 400 nm y 720 nm, con un voltaje de circuito abierto de alrededor de 1 V. [28]
Las heterojunciones en masa tienen una capa de absorción que consiste en una mezcla a escala nanométrica de materiales donantes y aceptores. Los tamaños de dominio de esta mezcla son del orden de los nanómetros, lo que permite que los excitones con vidas cortas alcancen una interfaz y se disocien debido a la gran área interfacial donante-aceptor. [29] Sin embargo, las heterojunciones en masa eficientes necesitan mantener tamaños de dominio lo suficientemente grandes como para formar una red de percolación que permita que los materiales donantes alcancen el electrodo de transporte de huecos (electrodo 1 en la figura 7) y que los materiales aceptores alcancen el electrodo de transporte de electrones (electrodo 2). Sin esta red de percolación, las cargas podrían quedar atrapadas en un dominio rico en donantes o aceptores y sufrir una recombinación. Las heterojunciones en masa tienen una ventaja sobre las estructuras fotoactivas en capas porque se pueden hacer lo suficientemente gruesas para una absorción eficaz de fotones sin el difícil procesamiento involucrado en la orientación de una estructura en capas mientras se mantiene un nivel similar de rendimiento.
Las heterojunciones en masa se crean más comúnmente formando una solución que contiene los dos componentes, colada ( por ejemplo, colada por goteo y recubrimiento por centrifugación ) y luego permitiendo que las dos fases se separen, generalmente con la ayuda de un paso de recocido. Los dos componentes se autoensamblan en una red interpenetrante que conecta los dos electrodos. [30] Normalmente están compuestos de un donante basado en moléculas conjugadas y un aceptor basado en fulerenos . La morfología nanoestructural de las heterojunciones en masa tiende a ser difícil de controlar, pero es fundamental para el rendimiento fotovoltaico.
Después de la captura de un fotón, los electrones se desplazan hacia los dominios aceptores, luego son transportados a través del dispositivo y recogidos por un electrodo, y los huecos se desplazan en la dirección opuesta y son recogidos en el otro lado. Si la dispersión de los dos materiales es demasiado fina, se producirá una transferencia de carga deficiente a través de la capa. [13] [14] [19] [31]
La mayoría de las células de heterojunción utilizan dos componentes, aunque se han estudiado células de tres componentes. El tercer componente, un polímero donante secundario de tipo p, actúa para absorber la luz en una región diferente del espectro solar. En teoría, esto aumenta la cantidad de luz absorbida. Estas células ternarias funcionan a través de uno de tres mecanismos distintos: transferencia de carga, transferencia de energía o enlace paralelo.
En la transferencia de carga, ambos donantes contribuyen directamente a la generación de portadores de carga libres. Los huecos pasan a través de un solo dominio donante antes de ser recolectados en el ánodo. En la transferencia de energía, solo un donante contribuye a la producción de huecos. El segundo donante actúa únicamente para absorber luz, transfiriendo energía adicional al primer material donante. En el enlace paralelo, ambos donantes producen excitones de forma independiente, que luego migran a sus respectivas interfaces donante/aceptor y se disocian. [32]
Los fulerenos como el C 60 y sus derivados se utilizan como materiales aceptores de electrones en células fotovoltaicas de heterojunción en masa. Una célula con la mezcla de MEH-PPV y un derivado de C 60 metanofuncionalizado como heterojunción, ITO y Ca como electrodos [33] mostró una eficiencia cuántica del 29% y una eficiencia de conversión de potencia del 2,9% bajo iluminación monocromática. La sustitución del MEH-PPV por P3HT produjo un rendimiento cuántico del 45% bajo una polarización inversa de 10 V. [34] [35] Otros avances en la modificación del aceptor de electrones han dado como resultado un dispositivo con una eficiencia de conversión de potencia del 10,61% con una mezcla de PC 71 BM como aceptor de electrones y PTB7-Th como donador de electrones. [36]
Las mezclas de polímeros y polímeros también se utilizan en células fotovoltaicas de heterojunción dispersa. Una mezcla de CN-PPV y MEH-PPV con Al e ITO como electrodos produjo una eficiencia de conversión de potencia monocromática máxima del 1 % y un factor de llenado de 0,38. [37] [38]
Las células fotovoltaicas sensibilizadas con colorante también pueden considerarse ejemplos importantes de este tipo.
Asuntos
Los fulerenos, como el PC 71 BM, suelen ser los materiales aceptores de electrones que se encuentran en las células solares de heterojunción de alto rendimiento. Sin embargo, estos materiales aceptores de electrones absorben muy débilmente la luz visible, lo que reduce la fracción de volumen ocupada por el material donador de electrones, que absorbe fuertemente. Además, los fulerenos tienen una capacidad de ajuste electrónico deficiente, lo que genera restricciones en el desarrollo de sistemas conjugados con estructuras electrónicas más atractivas para voltajes más altos. Recientemente se han realizado investigaciones para intentar reemplazar estos fulerenos con moléculas orgánicas que se puedan ajustar electrónicamente y contribuyan a la absorción de luz. [39]
El donador y el aceptor de electrones se mezclan de tal manera que el gradiente es gradual. Esta arquitectura combina la corta distancia de recorrido de los electrones en la heterojunción dispersa con la ventaja del gradiente de carga de la tecnología de bicapa. [40] [41]
Una celda con una mezcla de CuPc y C 60 mostró una eficiencia cuántica del 50% y una eficiencia de conversión de potencia del 2,1% utilizando una iluminación solar AM1.5G simulada de 100 mW/cm2 para una heterojunción graduada. [42]
De manera similar a la heterojunción graduada, el concepto de unión continua tiene como objetivo lograr una transición gradual de un donador de electrones a un aceptor de electrones. Sin embargo, el material aceptor se prepara directamente a partir del polímero donador en un paso de modificación posterior a la polimerización. [43]
Dado que su capa activa determina en gran medida la eficiencia del dispositivo, la morfología de este componente recibió mucha atención. [44]
Si un material es más soluble en el solvente que el otro, se depositará primero en la parte superior del sustrato , lo que provocará un gradiente de concentración a través de la película. Esto se ha demostrado para dispositivos de poli-3-hexil tiofeno (P3HT), fenil-C 61 -butírico metil éster ( PCBM ) donde el PCBM tiende a acumularse hacia el fondo del dispositivo durante el recubrimiento por centrifugación a partir de soluciones ODCB. [45] Este efecto se observa porque el componente más soluble tiende a migrar hacia la fase "rica en solvente" durante el procedimiento de recubrimiento, acumulando el componente más soluble hacia el fondo de la película, donde el solvente permanece más tiempo. El espesor de la película generada afecta la segregación de fases porque la dinámica de cristalización y precipitación es diferente para soluciones más concentradas o tasas de evaporación más rápidas (necesarias para construir dispositivos más gruesos). El enriquecimiento cristalino de P3HT más cerca del electrodo colector de huecos solo se puede lograr para capas de P3HT/PCBM relativamente delgadas (100 nm). [46]
Los gradientes en la morfología inicial son generados principalmente por la tasa de evaporación del solvente y las diferencias en solubilidad entre el donante y el aceptor dentro de la mezcla. Esta dependencia de la solubilidad ha sido claramente demostrada usando derivados de fulerenos y P3HT. [47] Cuando se usan solventes que se evaporan a una velocidad más lenta (como clorobenceno (CB) o diclorobenceno (DCB)) se pueden obtener mayores grados de separación vertical o agregación mientras que los solventes que se evaporan más rápido producen una separación vertical mucho menos efectiva. Los gradientes de solubilidad mayores deberían conducir a una separación vertical más efectiva mientras que los gradientes más pequeños deberían conducir a películas más homogéneas. Estos dos efectos fueron verificados en celdas solares P3HT:PCBM. [48] [49]
También se estudió la velocidad de evaporación del disolvente, así como los procedimientos posteriores de recocido térmico o vapor del disolvente. [50] Las mezclas como P3HT:PCBM parecen beneficiarse de los procedimientos de recocido térmico, mientras que otras, como PTB7:PCBM, parecen no mostrar ningún beneficio. [51] En P3HT, el beneficio parece provenir de un aumento de la cristalinidad de la fase P3HT que se genera a través de una expulsión de moléculas de PCBM desde dentro de estos dominios. Esto se ha demostrado a través de estudios de miscibilidad de PCBM en P3HT, así como cambios en la composición del dominio en función de los tiempos de recocido. [52] [53] [54]
La hipótesis anterior basada en la miscibilidad no explica completamente la eficiencia de los dispositivos, ya que nunca existen únicamente fases amorfas puras de materiales donantes o aceptores dentro de los dispositivos de heterojunción en masa. Un artículo de 2010 [55] sugirió que los modelos actuales que suponen fases puras e interfaces discretas podrían fallar dada la ausencia de regiones amorfas puras. Dado que los modelos actuales suponen la separación de fases en las interfaces sin ninguna consideración de la pureza de las fases, podría ser necesario cambiar los modelos.
El procedimiento de recocido térmico varía según el momento exacto en que se aplica. Dado que la migración vertical de especies está determinada en parte por la tensión superficial entre la capa activa y el aire u otra capa, el recocido antes o después de la deposición de capas adicionales (generalmente el cátodo metálico) afecta el resultado. En el caso de las células solares P3HT:PCBM, la migración vertical se mejora cuando las células se recocen después de la deposición del cátodo metálico.
La acumulación de donantes o aceptores junto a las capas adyacentes puede ser beneficiosa, ya que estas acumulaciones pueden provocar efectos de bloqueo de huecos o electrones que pueden beneficiar el rendimiento del dispositivo. En 2009, se demostró que la diferencia en la distribución vertical en las células solares P3HT:PCBM causaba problemas con la movilidad de los electrones, lo que termina produciendo eficiencias muy bajas del dispositivo. [56] Los cambios simples en la arquitectura del dispositivo (recubrimiento por centrifugación de una capa delgada de PCBM sobre el P3HT) mejoran en gran medida la reproducibilidad de la celda, al proporcionar una separación vertical reproducible entre los componentes del dispositivo. Dado que se requiere un mayor contacto entre el PCBM y el cátodo para obtener mejores eficiencias, esto aumenta en gran medida la reproducibilidad del dispositivo.
Según el análisis de dispersión de neutrones, las mezclas P3HT:PCBM se han descrito como "ríos" (regiones P3HT) interrumpidos por "corrientes" (regiones PCBM). [57]
La mayoría de las películas orgánicas para aplicaciones fotovoltaicas se depositan mediante recubrimiento por centrifugación y deposición en fase de vapor. Sin embargo, cada método tiene ciertas desventajas: la técnica de recubrimiento por centrifugación puede recubrir áreas de superficie más grandes a alta velocidad, pero el uso de solvente para una capa puede degradar la capa de polímero ya existente. Otro problema está relacionado con el diseño del sustrato para el dispositivo, ya que el recubrimiento por centrifugación da como resultado el recubrimiento de todo el sustrato con un solo material.
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Otra técnica de deposición es la evaporación térmica al vacío (VTE), que implica el calentamiento de un material orgánico en el vacío. El sustrato se coloca a varios centímetros de la fuente de manera que el material evaporado pueda depositarse directamente sobre el sustrato, como se muestra en la figura 9(a). Este método es útil para depositar muchas capas de diferentes materiales sin interacción química entre las diferentes capas. Sin embargo, a veces hay problemas con la uniformidad del espesor de la película y el dopaje uniforme sobre sustratos de gran superficie. Además, los materiales que se depositan en la pared de la cámara pueden contaminar las deposiciones posteriores. Esta técnica de "línea de visión" también puede crear agujeros en la película debido al sombreado, lo que provoca un aumento de la resistencia en serie del dispositivo y un cortocircuito. [58]
La deposición orgánica en fase de vapor (OVPD), que se muestra en la Fig. 9(b), permite un mejor control de la estructura y la morfología de la película que la evaporación térmica al vacío. El proceso implica la evaporación del material orgánico sobre un sustrato en presencia de un gas portador inerte. La morfología de la película resultante se puede ajustar modificando el caudal de gas y la temperatura de la fuente. Se pueden generar películas uniformes reduciendo la presión del gas portador, lo que aumentará la velocidad y el recorrido libre medio del gas y, como resultado, el espesor de la capa límite disminuirá. Las celdas producidas por OVPD no tienen problemas relacionados con la contaminación de los copos que salen de las paredes de la cámara, ya que las paredes están calientes y no permiten que las moléculas se adhieran a ellas y produzcan una película sobre ellas.
Otra ventaja sobre el VTE es la uniformidad en la tasa de evaporación. Esto ocurre porque el gas portador se satura con los vapores del material orgánico que sale de la fuente y luego se mueve hacia el sustrato enfriado, Fig. 9(b). Dependiendo de los parámetros de crecimiento (temperatura de la fuente, presión base y flujo del gas portador), la película depositada puede ser de naturaleza cristalina o amorfa. Los dispositivos fabricados con OVPD muestran una densidad de corriente de cortocircuito más alta que la de los dispositivos fabricados con VTE. Una capa adicional de heterounión donante-aceptor en la parte superior de la celda puede bloquear los excitones, al tiempo que permite la conducción de electrones; lo que resulta en una mejor eficiencia de la celda. [58]
Las condiciones para el recubrimiento por centrifugación y la evaporación afectan la eficiencia del dispositivo. [59] [60] El disolvente y los aditivos influyen en la morfología del donante-aceptor. [61] Los aditivos ralentizan la evaporación, lo que produce polímeros más cristalinos y, por tanto, mejora la conductividad y la eficiencia de los huecos. Los aditivos típicos incluyen 1,8-octanoditiol, orto-diclorobenceno , 1,8-diyodooctano (DIO) y nitrobenceno . [48] [62] [63] [64] El efecto DIO se atribuyó a la solubilización selectiva de los componentes de PCBM, modifica fundamentalmente la distancia de salto media de los electrones y, por tanto, mejora la movilidad de los electrones. [65] Los aditivos también pueden producir grandes aumentos en la eficiencia de los polímeros. [66] En el caso de las células solares HXS-1/PCBM, el efecto se correlacionó con la generación de carga, el transporte y la estabilidad en almacenamiento. [67] Otros polímeros como el PTTBO también se benefician significativamente del DIO, logrando valores de PCE de más del 5% desde alrededor del 3,7% sin el aditivo.
Las células solares poliméricas fabricadas a partir de cloronaftaleno (CN) como codisolvente gozan de una mayor eficiencia que las fabricadas a partir de la solución más convencional de clorobenceno puro. Esto se debe a que la morfología donante-aceptor cambia, lo que reduce la separación de fases entre el polímero donante y el fulereno. Como resultado, esto se traduce en una alta movilidad de huecos. Sin codisolventes, se forman grandes dominios de fulereno, lo que disminuye el rendimiento fotovoltaico de la célula debido a la agregación del polímero en solución. Esta morfología se origina a partir de la separación de fases líquido-líquido durante el secado; la evaporación del disolvente hace que la mezcla entre en la región espinodal, en la que hay fluctuaciones térmicas significativas. Los dominios grandes impiden que los electrones se recolecten de manera eficiente (disminuyendo el PCE). [68]
Las pequeñas diferencias en la estructura del polímero también pueden provocar cambios significativos en el empaquetamiento de los cristales que inevitablemente afectan la morfología del dispositivo. El PCPDTBT se diferencia del PSBTBT debido a la diferencia en el átomo puente entre los dos polímeros (C frente a Si), lo que implica que se pueden lograr mejores morfologías con células solares PCPDTBT:PCBM que contienen aditivos, a diferencia del sistema Si, que logra buenas morfologías sin la ayuda de sustancias adicionales. [69]
Se investigó la química supramolecular , utilizando moléculas donadoras y aceptoras que se ensamblan mediante fundición por centrifugación y calentamiento. La mayoría de los ensamblajes supramoleculares emplean moléculas pequeñas. [70] [71] Los dominios donadores y aceptores en una estructura tubular parecen ideales para las células solares orgánicas. [72]
Los polímeros dibloque que contienen fulerenos producen células solares orgánicas estables tras el recocido térmico. [73] Se obtienen células solares con morfologías prediseñadas cuando se introducen interacciones supramoleculares apropiadas. [74]
Los avances en los BCP que contienen derivados de politiofeno producen células solares que se ensamblan en redes bien definidas. [75] Este sistema exhibe un PCE del 2,04%. Los enlaces de hidrógeno guían la morfología.
La eficiencia de los dispositivos basados en métodos de copolímeros aún no ha cruzado la barrera del 2%, mientras que los dispositivos de heterounión masiva exhiben eficiencias >7% en configuraciones de unión simple. [76]
Se han utilizado copolímeros de bloques de varillas y bobinas injertados con fulerenos para estudiar la organización de dominios. [77]
Los enfoques supramoleculares de las células solares orgánicas proporcionan comprensión sobre las fuerzas macromoleculares que impulsan la separación de dominios.
Las PSC transparentes o semitransparentes permiten la absorción de fotones de baja o alta energía fuera del espectro visible, optimizando así sus capacidades de aprovechamiento de la luz solar y cubriendo un espectro de absorción más amplio. [78] [79] Estos tipos de PSC son ideales para capturar fotones de infrarrojo cercano o ultravioleta debido a su baja sensibilidad inherente a los fotones dentro del espectro visible. Las PSC típicas utilizan electrodos metálicos opacos que limitan su transparencia y, por lo tanto, su rendimiento. [78] La capa absorbente de las PSC es intrínsecamente semitransparente. [80] Por lo tanto, un enfoque para lograr una PSC visiblemente transparente es modificar el electrodo superior para hacerlo más transparente. Se han utilizado materiales como ITO, metales ultrafinos, rejillas metálicas, grafeno y nanotubos de carbono para fabricar electrodos superiores semitransparentes. [81] [82] Sin embargo, el rendimiento de las PSC transparentes ha demostrado ser deficiente en comparación con sus contrapartes PSC de electrodos opacos. [83] Cuando el electrodo superior se hace transparente, la capacidad de la célula para atrapar el campo electromagnético en la capa absorbente disminuye, lo que da como resultado un PCE bajo. Actualmente se está llevando a cabo una gran cantidad de investigaciones para mejorar el PCE de dichas células. [81] Estos tipos de PSC se han aplicado a la fotovoltaica integrada en edificios, dispositivos en tándem y electrónica portátil. [78] [82] [83]
Las células infrarrojas absorben preferentemente la luz en el rango infrarrojo en lugar de las longitudes de onda visibles. Un estudio de 2010 desarrolló PSC transparentes a los infrarrojos con un electrodo superior de película de CNT en el lado posterior y una capa de vidrio de ITO en el lado frontal que permite la transmitancia óptica desde ambos lados de la célula. Se colocó una capa de ZnO sobre el ITO con una capa de P3HT:PCBM que se agregó al ZnO, creando así una célula ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (de abajo hacia arriba). Se observó que el electrodo superior de CNT y el electrodo inferior de ITO exhibieron ambos un 80% de transmitancia dentro de un espectro de 500 nm a 2,5 um. La célula en sí tenía una transmitancia óptica del 80% en el rango de 670 nm a 1,2 um, 60% en el rango de 1,2 um a 2,5 um. Por el contrario, una célula de control con un electrodo superior de Ag resultó en ninguna transmitancia dentro de estos espectros. Además, la celda tenía una transmitancia relativamente baja en la región visible debido a la alta absorbancia visible de la capa P3HT:PCBM. Estas celdas se pueden aplicar a dispositivos en tándem y al ensamblaje vertical de PSC. [78]
En 2012, las células infrarrojas eran casi un 70% transparentes a la luz visible. Supuestamente, las células se pueden fabricar en grandes cantidades a bajo coste mediante el procesamiento en solución. Las células emplean películas compuestas de nanocables de plata y dióxido de titanio como electrodo superior , en sustitución de los electrodos metálicos opacos convencionales. Con esta combinación, se logró una eficiencia de conversión de energía del 4%. [84]
En 2014, se fabricaron células solares poliméricas de infrarrojo cercano basadas en un copolímero de diimida de naftoditiofeno y bitiofeno (PNDTI-BT-DT) en combinación con PTB7 como donante de electrones. Tanto PNDTI-BT-DT como PTB7 formaron una estructura cristalina en las películas de mezcla similar a la de las películas originales, lo que condujo a la generación eficiente de carga aportada por ambos polímeros. [85]
Se han realizado muchas investigaciones para desarrollar un electrodo superior transparente para las PSC. Sin embargo, un estudio de 2017 exploró la optimización de la capa activa de las PSC semitransparentes. Los investigadores propusieron una PSC semitransparente con una eficiencia mejorada que utiliza tanto un donante de polímero de banda estrecha, PTB7-Th, como un aceptor no fulereno, IHIC. Los resultados de este estudio mostraron que la PSC propuesta exhibió alta transmitancia y absorción en el espectro infrarrojo, pero baja absorción en el espectro visible. Esta celda demostró ser relativamente estable y tiene un PCE máximo de 9,77 %, que, a partir de 2017, es el valor de PCE más alto informado. [86]
Los sistemas fotovoltaicos orgánicos, al igual que los inorgánicos, se caracterizan generalmente mediante un análisis de corriente-voltaje. [87] Este análisis proporciona múltiples valores de métricas del dispositivo que se utilizan para comprender el rendimiento del mismo. Una de las métricas más importantes es la eficiencia de conversión de energía (PCE).
PCE (η) es proporcional al producto de la corriente de cortocircuito (J SC ), el voltaje de circuito abierto (V OC ) y el factor de llenado (FF), todos los cuales pueden determinarse a partir de una curva de corriente-voltaje.
Donde P in es la potencia solar incidente.
La corriente de cortocircuito (Jsc) es el valor máximo de generación de fotocorriente. [88] Corresponde al valor de intersección con el eje y de la curva corriente-voltaje estándar en la que la corriente se representa a lo largo del eje y y el voltaje a lo largo del eje x. En las células solares orgánicas, la corriente de cortocircuito puede verse afectada por una variedad de factores materiales. Estos incluyen la movilidad de los portadores de carga, el perfil de absorción óptica y las fuerzas impulsoras energéticas generales que conducen a una extracción más eficiente de los portadores de carga [88].
El voltaje de circuito abierto (Voc) es el voltaje cuando no hay corriente circulando por el dispositivo. [88] Esto corresponde a la intersección con el eje x en una curva de corriente-voltaje. Dentro de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos de heterojunción en masa, este valor depende en gran medida de los niveles de energía HOMO y LUMO y de las funciones de trabajo para los materiales de la capa activa [88]
Dado que la potencia es el producto del voltaje y la corriente, el punto de máxima potencia se produce cuando se maximiza el producto entre el voltaje y la corriente.
El factor de relleno, FF, puede considerarse como la "cuadratura" de una curva de voltaje de corriente. [87] Es el cociente del valor de potencia máxima y el producto del voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. [87] Esto se muestra en la imagen de arriba como la relación entre el área del rectángulo amarillo y el rectángulo azul más grande. Para la energía fotovoltaica orgánica, este factor de relleno es esencialmente una medida de la eficiencia con la que se extraen las cargas generadas del dispositivo. [88] Esto puede considerarse como una "competencia" entre las cargas que se transportan a través del dispositivo y las cargas que se recombinan. [88]
Un problema importante en torno a las células solares de polímero es la baja eficiencia de conversión de potencia (PCE) de las células fabricadas. Para que se las considere comercialmente viables, las PSC deben poder lograr una eficiencia de al menos el 10-15% [89] , lo que ya es mucho menor que la de los PV inorgánicos. Sin embargo, debido al bajo costo de las células solares de polímero, una eficiencia del 10-15% es comercialmente viable.
Los avances recientes en el rendimiento de las células solares de polímeros se han logrado mediante la compresión de la banda prohibida para mejorar la corriente de cortocircuito y, al mismo tiempo, reducir el orbital molecular más ocupado (HOMO) para aumentar el voltaje de circuito abierto. Sin embargo, las células solares de polímero aún sufren de factores de llenado bajos (normalmente por debajo del 70%). Sin embargo, a partir de 2013, los investigadores han podido fabricar células solares de polímero con factores de llenado superiores al 75%. Los científicos han podido lograrlo mediante una unión BHJ invertida y utilizando combinaciones de donante/aceptor no convencionales. [90]
Las células solares de polímero aún no han podido competir comercialmente con las células solares de silicio y otras células de película delgada . La eficiencia actual de las células solares de polímero se sitúa cerca del 10%, muy por debajo de las células de silicio. Las células solares de polímero también sufren degradación ambiental, ya que carecen de recubrimientos protectores efectivos .
Se necesitan más mejoras en el rendimiento para promover la difusión de los portadores de carga; se debe mejorar el transporte mediante el control del orden y la morfología; y se debe aplicar la ingeniería de interfaces al problema de la transferencia de carga a través de interfaces.
Se están realizando investigaciones sobre el uso de la arquitectura en tándem para aumentar la eficiencia de las células solares de polímero. De manera similar a la arquitectura en tándem inorgánica, se espera que la arquitectura en tándem orgánica aumente la eficiencia. En comparación con un dispositivo de unión única que utiliza materiales de banda prohibida baja, la estructura en tándem puede reducir la pérdida de calor durante la conversión de fotón a electrón. [9]
Las células solares de polímero no se producen ampliamente a nivel comercial. En 2008, Konarka Technologies inició la producción de células solares de polímero y fulereno. [92] Los módulos iniciales tenían una eficiencia del 3 al 5 % y solo duraban unos pocos años. Desde entonces, Konarka se declaró en quiebra, ya que esas células solares de polímero no pudieron penetrar en el mercado fotovoltaico.
Las PSC también sufren factores de llenado bajos (normalmente por debajo del 70%). Sin embargo, a partir de 2013, los investigadores han podido fabricar PSC con factores de llenado superiores al 75%. Los científicos han podido lograrlo mediante una BHJ invertida y utilizando combinaciones de donante/aceptor no convencionales. [90]
Sin embargo, se están realizando esfuerzos para aumentar la escala de fabricación de células solares de polímero, con el fin de reducir los costos y también promover un enfoque práctico para la producción de PSC. Dichos esfuerzos incluyen el procesamiento de soluciones completas de rollo a rollo. Sin embargo, el procesamiento de soluciones de rollo a rollo no es adecuado para la producción de electricidad en red debido a la corta vida útil de las células solares de polímero. Por lo tanto, las aplicaciones comerciales de las células solares de polímero aún incluyen principalmente la electrónica de consumo y los electrodomésticos. [93]
Como se ha comentado anteriormente, los semiconductores orgánicos son materiales muy desordenados sin orden de largo alcance. Esto significa que los bordes de las bandas de conducción y valencia no están bien definidos. Además, este desorden físico y energético genera estados trampa en los que los electrones y huecos fotogenerados pueden quedar atrapados y, finalmente, recombinarse.
La clave para describir con precisión las células solares orgánicas en un modelo de dispositivo es incluir la captura de portadores y la recombinación a través de estados de trampa. Un enfoque comúnmente utilizado es utilizar un modelo de medio efectivo, donde se utilizan ecuaciones de difusión de deriva estándar para describir el transporte a través del dispositivo. Luego, se introduce una cola exponencial de estados de trampa que se desintegra en la brecha de banda desde los bordes de movilidad. [94] Para describir la captura/escape de estos estados de trampa se puede utilizar el mecanismo Shockley-Read-Hall (SRH) . Se ha demostrado que el mecanismo Shockley-Read-Hall puede reproducir el comportamiento del dispositivo polímero:fullereno tanto en el dominio del tiempo como en el estado estable. [94]
El diseño de células solares orgánicas requiere la optimización de una gran cantidad de parámetros estructurales y compositivos, como los intervalos de banda y el espesor de las capas. La simulación numérica de dispositivos puede proporcionar información instrumental para identificar la configuración óptima de la pila. Esto permite reducir el tiempo necesario para el desarrollo de células solares eficientes.
Las dificultades asociadas a las células fotovoltaicas orgánicas incluyen su baja eficiencia cuántica externa (hasta un 70%) [95] en comparación con los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos, a pesar de tener una buena eficiencia cuántica interna; esto se debe a una absorción insuficiente con capas activas del orden de 100 nanómetros. Las inestabilidades frente a la oxidación y reducción, la recristalización y las variaciones de temperatura también pueden provocar la degradación del dispositivo y una disminución del rendimiento con el tiempo. Esto ocurre en diferentes grados para dispositivos con diferentes composiciones, y es un área en la que se están llevando a cabo investigaciones activas. [96]
Otros factores importantes incluyen la longitud de difusión del excitón, la separación de carga y la recolección de carga, que se ven afectados por la presencia de impurezas.
En particular, en el caso de las células solares de heterojunción en masa, comprender el transporte de portadores de carga es vital para mejorar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos orgánicos. En la actualidad, los dispositivos de heterojunción en masa tienen una movilidad desequilibrada de los portadores de carga, y la movilidad de los huecos es al menos un orden de magnitud menor que la de los electrones; esto da como resultado una acumulación de carga espacial y una disminución del factor de llenado y la eficiencia de conversión de energía de un dispositivo. [97] Debido a la baja movilidad, los sistemas fotovoltaicos de heterojunción en masa eficientes deben diseñarse con capas activas delgadas para evitar la recombinación de los portadores de carga, lo que es perjudicial para la absorción y la escalabilidad en el procesamiento. Las simulaciones han demostrado que para tener una célula solar de heterojunción en masa con un factor de llenado superior a 0,8 y una eficiencia cuántica externa superior al 90%, es necesario que haya una movilidad equilibrada de los portadores de carga para reducir el efecto de la carga espacial, así como un aumento de la movilidad de los portadores de carga y/o una disminución de la constante de tasa de recombinación bimolecular . [98]
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Como se describió anteriormente, las heterojunciones dispersas de materiales orgánicos donadores-aceptores tienen altas eficiencias cuánticas en comparación con la heterojunción plana, porque en las heterojunciones dispersas es más probable que un excitón encuentre una interfaz dentro de su longitud de difusión. La morfología de la película también puede tener un efecto drástico en la eficiencia cuántica del dispositivo. Las superficies rugosas y la presencia de huecos pueden aumentar la resistencia en serie y también la posibilidad de cortocircuito. La morfología de la película y, como resultado, la eficiencia cuántica se pueden mejorar mediante el recocido de un dispositivo después de cubrirlo con un cátodo metálico de ~1000 Å de espesor. La película metálica sobre la película orgánica aplica tensiones en la película orgánica, lo que ayuda a prevenir la relajación morfológica en la película orgánica. Esto da películas más densamente empaquetadas y al mismo tiempo permite la formación de una interfaz donador-aceptor interpenetrante separada por fases dentro de la masa de la película delgada orgánica. [99]
La separación de cargas se produce en la interfaz donante-aceptor. Mientras viaja hacia el electrodo, una carga puede quedar atrapada y/o recombinarse en un material orgánico interpenetrante desordenado, lo que da como resultado una disminución de la eficiencia del dispositivo. El crecimiento controlado de la heterojunción proporciona un mejor control sobre las posiciones de los materiales donante-aceptor, lo que da como resultado una eficiencia energética mucho mayor (relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada) que la de las heterojunciones planas y altamente desorientadas (como se muestra en la figura 8). Por lo tanto, la elección de parámetros de procesamiento adecuados para controlar mejor la estructura y la morfología de la película es muy deseable. [32]
Se aplican varios tipos de componentes para aumentar los efectos de atrapamiento de luz (acoplamiento de luz) en células solares orgánicas delgadas. [100] Además de la flexibilidad de las células solares orgánicas, al usar electrodos flexibles [101] [102] y sustratos [103] en lugar de ITO y vidrio respectivamente, se pueden producir células solares orgánicas completamente flexibles. Mediante el uso de sustratos y sustratos flexibles, se introducen métodos más fáciles para proporcionar efectos de atrapamiento de luz a las OPV, como electrodos de polímero con partículas de dispersión integradas, [104] electrodos de polímero nanoimpresos, [105] sustratos PET estampados [106] [107] e incluso películas de pantalla óptica comercializadas para pantallas de cristal líquido (LCD) como sustratos. [108] Se realizarán muchas investigaciones para mejorar el rendimiento de las OPV con el mérito del procesamiento fácil de las estructuras de atrapamiento de luz.
Recientemente se han realizado investigaciones y estudios para utilizar una célula solar orgánica como célula superior en una pila de células solares tándem híbridas . Debido a que las células solares orgánicas tienen una brecha de banda más alta que las fotovoltaicas inorgánicas tradicionales como el silicio o CIGS , pueden absorber fotones de mayor energía sin perder mucha de la energía debido a la termalización y, por lo tanto, operar a un voltaje más alto. Los fotones de menor energía y los fotones de mayor energía que no se absorben pasan a través de la célula solar orgánica superior y luego son absorbidos por la célula inorgánica inferior. Las células solares orgánicas también se pueden procesar en solución a bajas temperaturas con un bajo costo de 10 dólares por metro cuadrado, lo que da como resultado una célula superior imprimible que mejora las eficiencias generales de las tecnologías de células solares inorgánicas existentes. [109] Se han realizado muchas investigaciones para permitir la formación de una pila de células solares tándem híbridas de este tipo, incluida la investigación en la deposición de electrodos semitransparentes que mantienen una baja resistencia de contacto al mismo tiempo que tienen una alta transparencia. [110]
Comprender las propiedades mecánicas de los semiconductores orgánicos y, en particular, la amplia gama de mecanismos de falla de los dispositivos de células solares orgánicas en funcionamiento es fundamental para determinar la estabilidad operativa de las células solares orgánicas para diversas aplicaciones. Las propiedades mecánicas de las células solares orgánicas se pueden atribuir a las fuerzas intermoleculares y superficiales presentes en el material. Estos atributos no solo están influenciados por la estructura molecular, sino que también son bastante sensibles a las condiciones de procesamiento, lo que dificulta bastante el estudio de las propiedades mecánicas de las películas delgadas de polímero, como el módulo de tracción, la ductilidad y la tenacidad a la fractura bajo tensión. [111] Debido a esto, no es trivial cuantificar una "cifra de mérito" que predecirá la estabilidad mecánica de un dispositivo y la robustez de un dispositivo bajo tensión dependerá de muchos factores.
En la mayoría de los casos, el sustrato proporciona soporte al dispositivo y una falla mecánica del sustrato conducirá a una eficiencia de conversión de energía subóptima del dispositivo. Por lo tanto, si bien es necesario que el sustrato proporcione soporte mecánico a la capa activa orgánica, se debe tener cuidado para garantizar que el aumento de la resistencia a la tracción del sustrato no se produzca a costa de la fractura de la película a bajas deformaciones. En general, es deseable que la capa activa se deforme en tándem con el sustrato. Esto es posible con un módulo elástico bajo y un límite elástico alto. La ductilidad de una película delgada se mide comúnmente como la deformación a la que aparecen grietas en la película. Sin embargo, la deformación de inicio de la grieta también depende de otros factores como el grado de cohesión/adhesión entre la película y el sustrato. Varios estudios han relacionado la energía de fractura cohesiva o adhesiva G c , definida como el trabajo requerido para romper interfaces de polímeros separados con parámetros moleculares y condiciones de procesamiento. [112] [113] Junto con la cohesión, la trayectoria de propagación de la grieta después de su formación depende de las propiedades mecánicas del material a través del cual se propaga la grieta. En polímeros como P3HT que presentan buena plasticidad, se forma una zona plástica en la punta de la grieta tras la aplicación de una tensión de tracción normal al plano del dispositivo y se expande hasta que queda confinada por dominios cristalinos en la película o por un sustrato rígido, disipando así la energía de deformación y disminuyendo la cohesión entre las interfaces. [114] La técnica de pandeo mecánico también ha demostrado ser bastante exitosa para determinar los módulos elásticos de varias películas delgadas orgánicas. El método se basa en la inestabilidad del pandeo que da lugar a arrugas en la película bajo una tensión de compresión. La longitud de onda del patrón de arrugas se puede relacionar con el módulo de tracción de la película en términos del espesor de la película y el módulo elástico del sustrato. [115]
En el diseño de dispositivos que incorporan células solares orgánicas, Gc y la deformación en la fractura se han identificado como dos métricas que son importantes a considerar. La capa de heterojunción en masa (BHJ) suele ser la capa más débil de una célula solar orgánica, por lo que es necesario diseñar los materiales BHJ para que sean mecánicamente estables, con un Gc objetivo de 5 J m-2 y una deformación objetivo en la fractura del 20-30%. Se ha demostrado que los aceptores basados en polímeros exhiben propiedades mecánicas superiores en comparación con los aceptores de moléculas pequeñas y los aceptores basados en fulerenos. Además, las propiedades mecánicas de los aceptores basados en polímeros están influenciadas por M n , el peso molecular promedio en número de las moléculas de polímero. Se determinó que las propiedades mecánicas aumentan con el aumento de M n , pero solo una vez que Mn ha superado M c , el peso molecular crítico en el que los enredos hacen que la tasa de cambio de viscosidad aumente con el aumento de M n . Este fenómeno ocurre porque la tasa de enredo de la cadena y la miscibilidad entre el aceptor y el donante de polímero aumentan. El efecto de estas características es que la deformación plástica de estos materiales en reacción al estrés mecánico fue alta, lo que significa que se disipó más energía, mientras que los materiales con menor resistencia mecánica se fracturaron más fácilmente. [116]
Un área importante de investigación actual es el uso de aceptores no fulerenos. Si bien los aceptores de fulerenos han sido el estándar para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos orgánicos debido a su compatibilidad dentro de los diseños de celdas de heterojunción en masa, así como a sus buenas propiedades de transporte, tienen algunas desventajas que llevan a los investigadores a intentar encontrar alternativas. [117] Algunos aspectos negativos de los aceptores de fulerenos incluyen su inestabilidad, que son algo limitados en la capacidad de ajuste de energía y tienen una absorción óptica deficiente. [117] Los investigadores han desarrollado aceptores de moléculas pequeñas que, debido a su buena capacidad de ajuste de energía, pueden exhibir altos voltajes de circuito abierto. [117] Combinando un donante de polímero (D18) con un aceptor de molécula pequeña (Y6), los científicos han fabricado células solares orgánicas en el laboratorio que brindan altas eficiencias superiores al 18%. [118] Sin embargo, aún existen desafíos importantes con los aceptores no fulerenos, incluidas las bajas movilidades de portadores de carga de los aceptores de moléculas pequeñas, y que la gran cantidad de moléculas posibles es abrumadora para la comunidad de investigación. [117]
Un desafío que enfrenta el desarrollo de células solares orgánicas que utilizan aceptores no fulerenos (NFAs) es la selección de un solvente que tenga un punto de ebullición alto y sea respetuoso con el medio ambiente, mientras que los solventes convencionales como el cloroformo (CF) tienden a exhibir puntos de ebullición bajos y toxicidad. Este solvente es necesario para una mayor ampliación de las células solares orgánicas, pero también se ha asociado con disminuciones en el PCE debido a la baja solubilidad de los materiales donantes y aceptores dentro del solvente. La adición de cadenas de alquilo a los NFAs ha llevado a aumentos en la solubilidad pero disminuciones en el empaquetamiento molecular (apilamiento π), lo que no genera un impacto neto en el PCE. Se ha descubierto que el uso de asistencia de huéspedes beneficia tanto la solubilidad como el empaquetamiento molecular. Una molécula huésped denominada BTO con cadenas laterales de oligo(etilenglicol) (OEG) usadas junto con el NFA Y6 como aceptor, PM6 como donante y paraxileno (PX) como solvente sostenible y de alto punto de fusión condujo a un aumento en el PCE del 11% a más del 16%, considerado un nivel aceptable de eficiencia. [119] Otra modificación que ha tenido éxito en el desarrollo de fotovoltaicos orgánicos más limpios es el recubrimiento por centrifugación en caliente de sustratos con solventes no halogenados. Se encontró que la temperatura a la que se operó el recubrimiento por centrifugación en caliente alteró la solución a la evolución de la fase sólida de las mezclas aceptor-donante de modo que las temperaturas más altas dieron como resultado una mayor concentración de aceptor en la superficie del sustrato. Esto se debe a que las temperaturas más altas facilitaron la disminución de la agregación y la precipitación, lo que permitió que el sustrato retuviera una mayor concentración de aceptor. En un experimento, las células solares orgánicas construidas con mezclas ternarias de donantes de PM6 y aceptores de Y6-1O y BO-4Cl y varios solventes no halogenados, incluidos o-xileno y tolueno, exhibieron valores de PCE de más del 18 %, que son los sistemas fotovoltaicos orgánicos más eficientes construidos con solventes no halogenados hasta la fecha. Análisis morfológicos adicionales mostraron que las OPV hiladas en caliente preparadas con solventes no halogenados exhibieron características morfológicas similares a las de las OPV preparadas con solventes halogenados. [120]
También se están realizando investigaciones exhaustivas sobre moléculas pequeñas que pueden actuar como materiales donantes y reemplazar potencialmente a los donantes poliméricos. Dado que las moléculas pequeñas no varían en peso molecular como lo hacen los polímeros, requerirían menos pasos de purificación y son menos susceptibles a defectos y torceduras de macromoléculas que pueden crear estados de trampa que conducen a la recombinación. [121] Investigaciones recientes han demostrado que las estructuras donantes de moléculas pequeñas de alto rendimiento tienden a tener estructuras planas 2-D y pueden agregarse o autoensamblarse. [121] Sin embargo, el rendimiento de estos dispositivos depende en gran medida de la morfología de la capa activa; la investigación actual continúa investigando las posibilidades de las moléculas pequeñas y optimizando la morfología del dispositivo a través de procesos como el recocido para varios materiales. [121]
Otras células solares de tercera generación:
