Una célula solar orgánica ( OSC [1] ) o célula solar de plástico es un tipo de energía fotovoltaica que utiliza la 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 procedente de la luz solar por el efecto fotovoltaico . La mayoría de las células fotovoltaicas orgánicas son células solares de polímero .
Las moléculas utilizadas en las células solares orgánicas se pueden procesar en solución con 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 banda prohibida , permitiendo la sintonizabilidad 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, normalmente 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 livianas (lo cual es importante para pequeños sensores autónomos), potencialmente desechables y económicas de fabricar (a veces usando 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 mostrar transparencia, lo que sugiere aplicaciones en ventanas, paredes, electrónica flexible, etc. En la Fig. 1 se muestra un dispositivo de ejemplo. Las desventajas de las células solares de polímero también son graves: 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 su potencial para aumentar la eficiencia [8] las han convertido en un campo popular en la investigación de células solares. En 2015, las células solares de polímero lograban eficiencias superiores al 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 banda prohibida del material absorbente de 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 . Se forma un sistema conjugado donde los átomos de carbono se unen covalentemente con enlaces simples y dobles alternos. Los orbitales pz de los electrones de estos hidrocarburos se deslocalizan y forman un orbital π enlazante 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 asume el papel de banda de valencia mientras que el LUMO sirve como banda de conducción . La separación de energía entre los niveles de energía HOMO y LUMO se considera la banda prohibida de los materiales electrónicos orgánicos y suele estar en el rango de 1 a 4 eV . [11]
Toda la luz con energía mayor que la banda prohibida del material puede ser absorbida, aunque existe una compensación al reducir la banda prohibida, ya que los fotones absorbidos con energías superiores a la banda prohibida 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 confinado a una molécula o región de una cadena polimérica. El estado excitado puede considerarse como un excitón , o un par electrón-hueco unidos por interacciones electrostáticas . En las células fotovoltaicas, los excitones se descomponen en pares de electrones libres mediante campos efectivos. Los campos efectivos se establecen creando una heterounión entre dos materiales diferentes. En la energía fotovoltaica orgánica, los campos efectivos rompen los excitones haciendo que el electrón caiga desde 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 de polímero generalmente consisten en una capa de bloqueo de electrones o huecos encima de un vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ITO), seguido de un donante de electrones y un aceptor de electrones (en el caso de células solares de heterounión masivas), un hueco o bloqueo de electrones. capa y electrodo de metal 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 celda sigue una arquitectura de dispositivo regular o invertida. En una celda invertida, las cargas eléctricas salen del dispositivo en dirección opuesta a la de un dispositivo normal porque los electrodos positivo y negativo están invertidos. Las celdas invertidas pueden utilizar cátodos de un material más adecuado; Las OPV invertidas disfrutan de una vida útil más larga que las OPV estructuradas regularmente y, por lo general, muestran mayores eficiencias en comparación con sus contrapartes convencionales. [dieciséis]
En las células solares de polímeros de heterounión a granel, la luz genera excitones. Separación de carga posterior en la interfaz entre una mezcla donante y aceptora de electrones dentro de la capa activa del dispositivo. Luego, estas cargas se transportan a los electrodos del dispositivo, donde las cargas fluyen fuera de la celda, realizan trabajo y luego vuelven a ingresar al dispositivo por el lado opuesto. La eficiencia de la célula está limitada por varios factores, especialmente la recombinación no geminada . La movilidad de los agujeros conduce a una conducción más rápida a través de la capa activa. [17] [18]
La energía fotovoltaica orgánica está hecha 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 los pares excitón- electrón-hueco, 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 luz en o cerca de la parte visible del espectro desde el orbital molecular ocupado más alto de la molécula (HOMO) hasta el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), indicado por una transición π -π*. La banda prohibida de energía entre estos orbitales determina qué longitudes 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 electrónica 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 pueden disociarse 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 llama aceptor. En la Fig. 3, la cadena polimérica es el donante y el fullereno es el aceptor. Incluso después de la disociación, el electrón y el hueco todavía pueden estar unidos como un " par geminado ", y entonces se requiere un campo eléctrico para separarlos. El electrón y el hueco deben reunirse en los contactos. Si la movilidad de los portadores de carga es insuficiente, los portadores no llegarán a los contactos y, en cambio, se recombinarán en 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 carga espacial (SCLP) dificulta el rendimiento del dispositivo.
La energía fotovoltaica orgánica se puede fabricar con un polímero activo y un aceptor de electrones a base de fullereno. La iluminación de este sistema con luz visible conduce a la transferencia de electrones del polímero a una molécula de fullereno. Como resultado, se produce la formación de una cuasipartícula fotoinducida , o polarón (P + ), en la cadena polimérica y el fullereno 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 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 heterounión plana (Fig. 1). Entre los contactos se intercala una película de material orgánico activo (polímero o molécula pequeña), de tipo donador o aceptor de electrones. Los excitones creados en el material activo pueden difundirse antes de recombinarse y separarse, difundiéndose el hueco y el electrón a su electrodo colector específico. Debido a que los portadores de carga tienen longitudes de difusión de sólo 3 a 10 nm en los semiconductores orgánicos amorfos típicos , las células planas deben ser delgadas, pero las células delgadas absorben menos bien la luz. Las heterouniones masivas (BHJ) solucionan esta deficiencia. En un BHJ, una mezcla de materiales donadores 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 sólo unos pocos nanómetros, una distancia adecuada para la difusión del portador. Los BHJ requieren un control sensible sobre la morfología de los materiales a nanoescala. Las variables importantes incluyen materiales, disolventes y la relación de peso donante-aceptor.
El siguiente paso lógico más allá de los BHJ son los nanomateriales ordenados para células solares, o heterouniones ordenadas (OHJ). Los OHJ minimizan la variabilidad asociada con los BHJ. Los OHJ son generalmente híbridos de materiales inorgánicos ordenados y regiones activas orgánicas. Por ejemplo, se puede depositar un polímero fotovoltaico en los poros de una cerámica como el TiO 2 . Dado que los orificios aún deben difundirse a lo largo del poro a través del polímero hasta llegar a un contacto, los OHJ sufren limitaciones de espesor similares. Mitigar el cuello de botella en la movilidad del agujero es clave para mejorar aún más el rendimiento del dispositivo OHJ.
Las células fotovoltaicas orgánicas de una sola capa son la forma más simple. Estas celdas se fabrican intercalando una capa de materiales electrónicos orgánicos entre dos conductores metálicos, típicamente una capa de óxido de indio y estaño (ITO) con alta función de trabajo y una capa de metal con baja función de trabajo, como aluminio, magnesio o calcio. La estructura básica de dicha celda se ilustra en la Fig. 5.
La diferencia de función de trabajo entre los dos conductores crea un campo eléctrico en la capa orgánica. Cuando la capa orgánica absorbe luz, los electrones se excitarán hacia el LUMO y dejarán agujeros 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 agujeros 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 alternante entre átomos de nitrógeno y átomos de carbono, tenía un fotovoltaje de 200 mV. [19] Una celda de Al/MgPc/Ag obtuvo una eficiencia fotovoltaica del 0,01% bajo iluminación a 690 nm. [20]
En este tipo de células fotovoltaicas también se utilizaron polímeros conjugados. 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 celda de Al/poli(3-netil-tiofeno)/Pt tenía 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 celda de ITO/PPV/Al mostró un voltaje de circuito abierto de 1 V y una eficiencia de conversión de energía del 0,1% bajo iluminación de luz blanca. [23]
Las células solares orgánicas de una sola capa no funcionan bien. Tienen bajas eficiencias cuánticas (<1%) y bajas eficiencias de conversión de energía (<0,1%). Un problema importante con ellos 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 diferentes afinidades electrónicas y energías de ionización , por lo que se generan fuerzas electrostáticas en la interfaz entre las dos capas. La luz debe crear excitones en esta pequeña región cargada para una separación y recolección de carga eficiente. Los materiales se eligen para 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 la aceptora de electrones y la otra capa es la donadora de electrones. Esta estructura también se denomina heterounión donante-aceptor plana . [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 tenía un factor de llenado relativamente alto de 0,48 y una eficiencia de conversión de energía del 0,04% bajo iluminación monocromática. [24] Las células PPV/C 60 mostraron una eficiencia cuántica externa monocromática del 9%, una eficiencia de conversión de energía 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 derivado de perileno tetracarboxílico como aceptor de electrones, fabricando una celda con un factor de llenado de hasta 0,65 y una eficiencia de conversión de energía del 1% bajo iluminación AM2 simulada. [26] Halls et al. Fabricaron una célula 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 energía del 1% bajo iluminación monocromática, y un factor de llenado de hasta 0,6. [27]
La longitud de difusión de los excitones en materiales electrónicos orgánicos suele ser del orden de 10 nm. Para que la mayoría de los excitones se difundan hasta la interfaz de las capas y se divida 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, sólo una pequeña fracción de los excitones puede alcanzar la interfaz de heterounión.
Una pila libre de fullereno de tres capas (dos aceptores y un donante) logró una eficiencia de conversión del 8,4%. La implementación produjo altos voltajes de circuito abierto y absorción en el espectro visible 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 heterouniones masivas tienen una capa de absorción que consta de una mezcla a nanoescala de materiales donantes y aceptores. Los tamaños de dominio de esta mezcla son del orden de nanómetros, lo que permite que excitones con vidas cortas alcancen una interfaz y se disocian debido a la gran área interfacial donante-aceptor. [29] Sin embargo, las heterouniones masivas eficientes necesitan mantener tamaños de dominio lo suficientemente grandes para formar una red de percolación que permita que los materiales donantes alcancen el electrodo transportador de orificios (Electrodo 1 en la Fig. 7) y los materiales aceptores alcancen el electrodo transportador de electrones ( Electrodo 2). Sin esta red de filtración, las cargas podrían quedar atrapadas en un dominio rico en donante o aceptor y sufrir recombinación. Las heterouniones masivas tienen una ventaja sobre las estructuras fotoactivas en capas porque pueden hacerse lo suficientemente gruesas para una absorción efectiva de fotones sin el difícil procesamiento que implica orientar una estructura en capas, manteniendo al mismo tiempo un nivel similar de rendimiento.
Las heterouniones masivas se crean más comúnmente formando una solución que contiene los dos componentes, fundición ( por ejemplo, fundición por caída y recubrimiento por rotación ) y luego permitiendo que las dos fases se separen, generalmente con la ayuda de un paso de recocido. Los dos componentes se autoensamblarán en una red interpenetrante que conecta los dos electrodos. [30] Normalmente están compuestos por un donante basado en una molécula conjugada y un aceptor basado en fullereno . La morfología nanoestructural de las heterouniones masivas tiende a ser difícil de controlar, pero es fundamental para el rendimiento fotovoltaico.
Después de la captura de un fotón, los electrones se mueven a los dominios aceptores, luego son transportados a través del dispositivo y recogidos por un electrodo, y los agujeros se mueven en la dirección opuesta y se recogen en el otro lado. Si la dispersión de los dos materiales es demasiado fina, se producirá una mala transferencia de carga a través de la capa. [13] [14] [19] [31]
La mayoría de las células de heterounión masivas utilizan dos componentes, aunque se han explorado 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 operan a través de uno de tres mecanismos distintos: transferencia de carga, transferencia de energía o enlace paralelo.
En la transferencia de cargas, ambos donantes contribuyen directamente a la generación de portadores de cargas gratuitas. Los agujeros pasan a través de un solo dominio donante antes de su recolección en el ánodo. En la transferencia de energía, sólo un donante contribuye a la producción de agujeros. El segundo donante actúa únicamente para absorber luz, transfiriendo energía adicional al material del primer 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 fullerenos como el C 60 y sus derivados se utilizan como materiales aceptores de electrones en células fotovoltaicas de heterounión en masa. Una celda con la mezcla de MEH-PPV y un derivado C60 metanofuncionalizado como heterounión, ITO y Ca como electrodos [33] mostró una eficiencia cuántica del 29% y una eficiencia de conversión de energía del 2,9% bajo iluminación monocromática. Reemplazar MEH-PPV con P3HT produjo un rendimiento cuántico del 45% con 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 energía del 10,61% con una mezcla de PC 71 BM como aceptor de electrones y PTB7-Th como donante de electrones. [36]
Las mezclas de polímero/polímero también se utilizan en células fotovoltaicas de heterounión dispersa. Una mezcla de CN-PPV y MEH-PPV con Al e ITO como electrodos produjo una eficiencia máxima de conversión de energía monocromática del 1% y un factor de llenado de 0,38. [37] [38]
Las células fotovoltaicas sensibilizadas por colorantes también pueden considerarse ejemplos importantes de este tipo.
Asuntos
Los fullerenos como el PC 71 BM son a menudo los materiales aceptores de electrones que se encuentran en las células solares de heterounión masivas de alto rendimiento. Sin embargo, estos materiales aceptores de electrones absorben muy débilmente la luz visible, disminuyendo la fracción de volumen ocupada por el material donador de electrones que absorbe fuertemente. Además, los fullerenos tienen una sintonizabilidad electrónica deficiente, lo que genera restricciones en el desarrollo de sistemas conjugados con estructuras electrónicas más atractivas para voltajes más altos. Se han realizado investigaciones recientes para intentar reemplazar estos fullerenos con moléculas orgánicas que puedan sintonizarse electrónicamente y contribuir a la absorción de luz. [39]
El donante y el aceptor de electrones se mezclan de tal manera que el gradiente es gradual. Esta arquitectura combina la corta distancia de viaje de los electrones en la heterounión dispersa con la ventaja del gradiente de carga de la tecnología 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 energía del 2,1% utilizando iluminación solar AM1.5G simulada de 100 mW/cm 2 para una heterounión graduada. [42]
De manera similar a la heterounión graduada, el concepto de unión continua tiene como objetivo realizar una transición gradual de un donante de electrones a un aceptor de electrones. Sin embargo, el material aceptor se prepara directamente a partir del polímero donador en una etapa 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 disolvente que el otro, se depositará primero sobre el sustrato , provocando un gradiente de concentración a través de la película. Esto se ha demostrado para dispositivos de poli-3-hexiltiofeno (P3HT) y éster metílico del ácido fenil- C61 -butírico ( PCBM ), donde el PCBM tiende a acumularse hacia la parte inferior del dispositivo tras el recubrimiento por rotación de las soluciones ODCB. [45] Este efecto se ve 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 por 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 orificios 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 de solubilidad entre el donante y el aceptor dentro de la mezcla. Esta dependencia de la solubilidad se ha demostrado claramente utilizando derivados de fullereno y P3HT. [47] Cuando se utilizan disolventes que se evaporan a un ritmo más lento (como clorobenceno (CB) o diclorobenceno (DCB)), se pueden obtener mayores grados de separación o agregación vertical, mientras que los disolventes que se evaporan más rápido producen una separación vertical mucho menos efectiva. Los gradientes de solubilidad más grandes deberían conducir a una separación vertical más efectiva, mientras que los gradientes más pequeños deberían conducir a películas más homogéneas. Estos dos efectos se verificaron en células solares P3HT:PCBM. [48] [49]
También se estudiaron la velocidad de evaporación del disolvente, así como los procedimientos posteriores de vapor de disolvente o recocido térmico. [50] Las mezclas como P3HT:PCBM parecen beneficiarse de los procedimientos de recocido térmico, mientras que otras, como PTB7:PCBM, no parecen 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 mediante 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 fases amorfas puras de los materiales donantes o aceptores dentro de los dispositivos de heterounión en masa. Un artículo de 2010 [55] sugirió que los modelos actuales que asumen fases puras e interfaces discretas podrían fallar dada la ausencia de regiones amorfas puras. Dado que los modelos actuales suponen una separación de fases en las interfaces sin tener en cuenta la pureza de las fases, es posible que sea necesario cambiar los modelos.
El procedimiento de recocido térmico varía dependiendo precisamente de cuándo 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 (más a menudo el cátodo metálico) afecta el resultado. En el caso de las células solares P3HT:PCBM, la migración vertical mejora cuando las células se recocen después de la deposición del cátodo metálico.
La acumulación de donantes o aceptores junto a las capas adyacentes podría ser beneficiosa ya que estas acumulaciones pueden provocar efectos de bloqueo de huecos o electrones que podrían beneficiar el rendimiento del dispositivo. En 2009, se demostró que la diferencia en la distribución vertical en las células solares P3HT:PCBM causa problemas con la movilidad de los electrones, lo que termina provocando eficiencias muy pobres en los dispositivos. [56] Los cambios simples en la arquitectura del dispositivo (recubrimiento por rotación 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 la 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 rotación y deposición en fase de vapor. Sin embargo, cada método tiene ciertos inconvenientes: la técnica de recubrimiento por rotación puede recubrir áreas de superficie más grandes con 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 rotación 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 al vacío. El sustrato se coloca a varios centímetros de la fuente para que el material evaporado pueda depositarse directamente sobre el sustrato, como se muestra en la Fig. 9 (a). Este método es útil para depositar muchas capas de diferentes materiales sin interacción química entre diferentes capas. Sin embargo, a veces existen problemas con la uniformidad del espesor de la película y el dopado uniforme sobre sustratos de gran superficie. Además, los materiales que se depositan en la pared de la cámara pueden contaminar deposiciones posteriores. Esta técnica de "línea de visión" también puede crear agujeros en la película debido al sombreado, lo que provoca un aumento en la resistencia en serie del dispositivo y un cortocircuito. [58]
La deposición en fase de vapor orgánico (OVPD), que se muestra en la Fig. 9 (b), permite un mejor control de la estructura y 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 cambiando el caudal de gas y la temperatura de la fuente. Se pueden desarrollar películas uniformes reduciendo la presión del gas portador, lo que aumentará la velocidad y el camino libre medio del gas y, como resultado, el espesor de la capa límite disminuirá. Las células producidas por OVPD no tienen problemas relacionados con la contaminación de las escamas que salen de las paredes de la cámara, ya que las paredes están calientes y no permiten que las moléculas se adhieran y produzcan una película sobre ellas.
Otra ventaja sobre el TEV 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 mayor densidad de corriente de cortocircuito que la de los dispositivos fabricados con VTE. Una capa adicional de heterounión donante-aceptor en la parte superior de la célula puede bloquear los excitones, al tiempo que permite la conducción de electrones; dando como resultado una eficiencia celular mejorada. [58]
Las condiciones para el recubrimiento por rotación y la evaporación afectan la eficiencia del dispositivo. [59] [60] Los disolventes y los aditivos influyen en la morfología del donante-aceptor. [61] Los aditivos ralentizan la evaporación, lo que da lugar a polímeros más cristalinos y, por tanto, a mejores conductividades y eficiencias de los orificios. Los aditivos típicos incluyen 1,8-octanoditiol, ortodiclorobenceno , 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 promedio de salto de los electrones y, por lo tanto, mejora la movilidad de los electrones. [65] Los aditivos también pueden conducir a grandes aumentos en la eficiencia de los polímeros. [66] Para 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 de polímero fabricadas con cloronaftaleno (CN) como codisolvente disfrutan de una mayor eficiencia que las fabricadas con la solución de clorobenceno puro más convencional. Esto se debe a que la morfología donante-aceptor cambia, lo que reduce la separación de fases entre el polímero donante y el fullereno. Como resultado, esto se traduce en una alta movilidad de los agujeros. Sin cosolventes, se forman grandes dominios de fullereno, lo que disminuye el rendimiento fotovoltaico de la celda debido a la agregación de polímeros en solución. Esta morfología se origina en la separación de fases líquido-líquido durante el secado; La evaporación al resolver hace que la mezcla entre en la región espinodal, en la que se producen importantes fluctuaciones térmicas. Los dominios grandes impiden que los electrones se recopilen de manera eficiente (disminuyendo el PCE). [68]
Pequeñas diferencias en la estructura del polímero también pueden provocar cambios significativos en el empaquetamiento del cristal que inevitablemente afectan la morfología del dispositivo. PCPDTBT se diferencia de PSBTBT debido a la diferencia en el átomo puente entre los dos polímeros (C vs. Si), lo que implica que se pueden lograr mejores morfologías con PCPDTBT: células solares PCBM que contienen aditivos a diferencia del sistema Si, que logra buenas morfologías sin ayuda de sustancias adicionales. [69]
Se investigó la química supramolecular utilizando moléculas donadoras y aceptoras que se ensamblan mediante fundición por rotación y calentamiento. La mayoría de los conjuntos supramoleculares emplean moléculas pequeñas. [70] [71] Los dominios donante y aceptor en una estructura tubular parecen ideales para células solares orgánicas. [72]
Los polímeros dibloque que contienen fullereno producen células solares orgánicas estables tras el recocido térmico. [73] Las células solares con morfologías prediseñadas resultaron cuando se introdujeron 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 presenta un PCE del 2,04%. Los enlaces de hidrógeno guían la morfología.
La eficiencia de los dispositivos basados en enfoques de copolímeros aún tiene que cruzar la barrera del 2%, mientras que los dispositivos de heterounión masiva exhiben eficiencias >7% en configuraciones de unión única. [76]
Se han utilizado copolímeros de bloques de varilla-espiral injertados con fullereno para estudiar la organización de dominios. [77]
Los enfoques supramoleculares de las células solares orgánicas permiten comprender las fuerzas macromoleculares que impulsan la separación de dominios.
Los 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 del infrarrojo cercano o ultravioleta debido a su baja sensibilidad inherente a los fotones dentro del espectro visible. Los PSC típicos utilizan electrodos metálicos opacos que limitan su transparencia y, por tanto, su rendimiento. [78] La capa absorbente de las PSC es intrínsecamente semitransparente. [80] Por lo tanto, un enfoque para lograr un 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, se ha demostrado que el rendimiento de los PSC transparentes es deficiente en comparación con sus homólogos de PSC con electrodos opacos. [83] Cuando el electrodo superior se vuelve transparente, la capacidad de la celda para atrapar el campo electromagnético en la capa absorbente disminuye, lo que resulta en un PCE bajo. Actualmente se están realizando muchas investigaciones para mejorar el PCE de dichas células. [81] Estos tipos de PSC se han aplicado a la energía fotovoltaica integrada en edificios, a dispositivos en tándem y a dispositivos electrónicos portátiles. [78] [82] [83]
Las células infrarrojas absorben preferentemente luz en el rango infrarrojo en lugar de longitudes de onda visibles. Un estudio de 2010 desarrolló PSC transparentes al infrarrojo con un electrodo superior de película CNT en la parte posterior y una capa de vidrio ITO en la parte frontal, lo que permite la transmitancia óptica desde ambos lados de la celda. Se colocó una capa de ZnO encima del ITO y se agregó una capa de P3HT:PCBM al ZnO, creando así una celda de ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (de abajo hacia arriba). Se observó que el electrodo CNT superior y el electrodo ITO inferior exhibieron un 80% de transmitancia dentro de un espectro de 500 nm a 2,5 um. La propia celda tenía una transmitancia óptica del 80% en el rango de 670 nm a 1,2 um, y del 60% en el rango de 1,2 um a 2,5 um. Por el contrario, una celda de control con un electrodo superior de Ag no produjo ninguna transmitancia dentro de este espectro. Además, la célula 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 volúmenes a bajo coste mediante el procesamiento de soluciones. Las celdas emplean películas compuestas de nanocables de plata y dióxido de titanio como electrodo superior , reemplazando a 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 de polímero de infrarrojo cercano basadas en un copolímero de naftoditiofeno diimida 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 prístinas, lo que llevó a la generación de carga eficiente aportada por ambos polímeros. [85]
Mucha investigación se ha centrado en desarrollar un electrodo superior transparente para PSC. Sin embargo, un estudio de 2017 exploró la optimización de la capa activa de PSC semitransparentes. Los investigadores propusieron un PSC semitransparente con eficiencia mejorada que utiliza tanto un polímero donante de banda prohibida estrecha, PTB7-Th, como un aceptor no fullereno, IHIC. Los resultados de este estudio mostraron que el PSC propuesto exhibía una alta transmitancia y absorción en el espectro infrarrojo pero una baja absorción en el espectro visible. Esta celda demostró ser relativamente estable y tener un PCE máximo del 9,77%, que, a partir de 2017, es el valor de PCE más alto informado. [86]
La energía fotovoltaica orgánica, similar a la energía fotovoltaica inorgánica, generalmente se caracteriza mediante análisis de corriente-voltaje. [87] Este análisis proporciona múltiples valores de métricas de dispositivos que se utilizan para comprender el rendimiento del dispositivo. 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), todo lo cual se puede determinar a partir de una curva de corriente-voltaje. .
Donde P in es la energía solar incidente.
La corriente de cortocircuito (Jsc), es el valor máximo de generación de fotocorriente. [88] Corresponde al valor de la intersección con el eje y de la curva estándar de corriente-voltaje en la que la corriente se representa a lo largo del eje y y el voltaje a lo largo del eje x. Dentro de 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 heterounión a granel, 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 ocurre cuando el producto entre el voltaje y la corriente se maximiza.
El factor de llenado, FF, puede considerarse como la "cuadratura" de una curva de voltaje actual. [87] Es el cociente del valor de potencia máxima y el producto de la tensión 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 mayor. Para la energía fotovoltaica orgánica, este factor de llenado es esencialmente una medida de la eficiencia con la que se extraen del dispositivo las cargas generadas. [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 que rodea a las células solares de polímero es la baja eficiencia de conversión de energía (PCE) de las células fabricadas. Para ser considerados comercialmente viables, los PSC deben poder alcanzar al menos un 10-15 % de eficiencia [89] , cifra que ya es mucho menor que la de los fotovoltaicos inorgánicos. Sin embargo, debido al bajo costo de las células solares de polímero, una eficiencia del 10 al 15% es comercialmente viable.
Los avances recientes en el rendimiento de las células solares de polímero han resultado de 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, los PSC todavía sufren de 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 un BHJ invertido y mediante el uso de combinaciones de donante/aceptor no convencionales. [90]
Las células solares de polímero aún tienen que 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, al carecer de recubrimientos protectores eficaces .
Se necesitan más mejoras en el rendimiento para promover la difusión de los portadores de carga; el transporte debe mejorarse mediante el control del orden y la morfología; y la ingeniería de interfaces debe aplicarse al problema de la transferencia de carga entre interfaces.
Se están realizando investigaciones sobre el uso de la arquitectura tándem para aumentar la eficiencia de las células solares de polímero. Al igual que la arquitectura tándem inorgánica, se espera que la arquitectura tándem orgánica aumente la eficiencia. En comparación con un dispositivo de unión única que utiliza materiales de baja banda prohibida, 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 comercialmente de forma generalizada. A partir de 2008, Konarka Technologies inició la producción de células solares de polímero-fullereno. [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.
Los PSC también sufren de bajos factores de llenado (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 un BHJ invertido y mediante el uso de combinaciones de donante/aceptor no convencionales. [90]
Sin embargo, se están realizando esfuerzos para mejorar la fabricación de células solares de polímero, con el fin de reducir los costos y también abogar por un enfoque práctico para la producción de PSC. Dichos esfuerzos incluyen el procesamiento completo de soluciones rollo a rollo. Sin embargo, el procesamiento de soluciones rollo a rollo no es adecuado para la producción de electricidad conectada a la 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 todavía incluyen principalmente electrónica de consumo y electrodomésticos. [93]
Como se mencionó anteriormente, los semiconductores orgánicos son materiales altamente desordenados sin orden de largo alcance. Esto significa que los bordes de la banda de conducción y de la banda de valencia no están bien definidos. Además, este desorden físico y energético genera estados de trampa en los que los electrones y huecos fotogenerados pueden quedar atrapados y eventualmente recombinarse.
La clave para describir con precisión las células solares orgánicas en un modelo de dispositivo es incluir la captura y recombinación de portadores a través de estados de trampa. Un enfoque comúnmente utilizado es utilizar un modelo de medio eficaz, en el que mediante ecuaciones de difusión por deriva estándar se utilizan para describir el transporte a través del dispositivo. Luego, se introduce una cola exponencial de estados trampa que decae en la banda prohibida desde los bordes de movilidad. [94] Para describir la captura/escape de estos estados de trampa se puede utilizar Shockley-Read-Hall (SRH) . Se ha demostrado que el mecanismo Shockley-Read-Hall es capaz de reproducir el comportamiento del dispositivo polímero:fullereno tanto en el dominio del tiempo como en el estado estacionario. [94]
El diseño de células solares orgánicas requiere la optimización de una gran cantidad de parámetros estructurales y de composición, como las bandas prohibidas y los espesores de las capas. La simulación numérica de dispositivos puede proporcionar información instrumental para identificar la configuración óptima de la pila. [95] Esto permite reducir el tiempo solicitado para el desarrollo de células solares eficientes.
Las dificultades asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas incluyen su baja eficiencia cuántica externa (hasta un 70%) [96] 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 diferente medida para dispositivos con diferentes composiciones y es un área en la que se están llevando a cabo investigaciones activas. [97]
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.
Especialmente para las células solares de heterounión a granel, comprender el transporte de portadores de carga es vital para mejorar la eficiencia de la energía fotovoltaica orgánica. Actualmente, los dispositivos de heterounión en masa tienen una movilidad desequilibrada del portador de carga, siendo la movilidad del hueco al menos un orden de magnitud menor que la movilidad del electrón; esto da como resultado una acumulación de carga espacial y una disminución en el factor de llenado y la eficiencia de conversión de energía de un dispositivo. [98] Debido a su baja movilidad, las energías fotovoltaicas de heterounión masivas 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 heterounión masiva 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 carga espacial, así como un aumento de los portadores de carga. movilidad y/o una disminución en la constante de tasa de recombinación bimolecular . [99]
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Como se describió anteriormente, las heterouniones dispersas de materiales orgánicos donante-aceptor tienen altas eficiencias cuánticas en comparación con la heterounión plana, porque en las heterouniones 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 recociendo un dispositivo después de cubrirlo con un cátodo metálico de ~1000 Å de espesor. La película metálica encima de la película orgánica aplica tensiones sobre la película orgánica, lo que ayuda a prevenir la relajación morfológica en la película orgánica. Esto proporciona películas más densamente empaquetadas y al mismo tiempo permite la formación de una interfaz donante-aceptor interpenetrante de fases separadas dentro de la mayor parte de la película delgada orgánica. [100]
La separación de carga ocurre 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 resulta en una disminución de la eficiencia del dispositivo. El crecimiento controlado de la heterounión proporciona un mejor control sobre las posiciones de los materiales donante-aceptor, lo que resulta en una eficiencia energética mucho mayor (relación entre potencia de salida y potencia de entrada) que la de las heterouniones planas y altamente desorientadas (como se muestra en la Fig. 8). . Por lo tanto, es muy deseable la elección de parámetros de procesamiento adecuados para controlar mejor la estructura y la morfología de la película. [32]
Se aplican varios tipos de componentes para aumentar los efectos de captura de luz (acoplamiento de luz) en células solares orgánicas delgadas. [101] Además de la flexibilidad de las células solares orgánicas, al utilizar electrodos flexibles [102] [103] y sustratos [104] en lugar de ITO y vidrio respectivamente, se pueden producir células solares orgánicas totalmente flexibles. Mediante este uso de sustratos y sustratos flexibles, se introducen métodos más fáciles para proporcionar efectos de captura de luz a las OPV, como electrodos de polímero con partículas de dispersión incrustadas, [105] electrodos de polímero nanoimpresos, [106] sustratos de PET estampados [107] [108] y incluso películas de visualización óptica comercializadas para pantallas de cristal líquido (LCD) como sustratos. [109] Se llevarán a cabo muchas investigaciones para mejorar el rendimiento de las OPV con el mérito de un fácil procesamiento de estructuras de captura de luz.
Se han realizado investigaciones y estudios recientes sobre la utilización de una célula solar orgánica como célula superior en una pila de células solares híbridas en tándem . Debido a que las células solares orgánicas tienen una banda prohibida más alta que las fotovoltaicas inorgánicas tradicionales como el silicio o los CIGS , pueden absorber fotones de mayor energía sin perder gran parte 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 son absorbidos pasan a través de la celda solar orgánica superior y luego son absorbidos por la celda inorgánica inferior. Las células solares orgánicas también son procesables 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 la eficiencia general de las tecnologías de células solares inorgánicas existentes. [110] Se han realizado muchas investigaciones para permitir la formación de una pila de células solares en tándem híbridas, incluida la investigación sobre la deposición de electrodos semitransparentes que mantienen una baja resistencia de contacto y al mismo tiempo tienen una alta transparencia. [111]
Comprender las propiedades mecánicas de los semiconductores orgánicos y, en particular, la amplia gama de mecanismos de falla de los dispositivos operativos de células solares orgánicas 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 intermoleculares. y fuerzas superficiales presentes en el material. Estos atributos no sólo 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 polímeros, como el módulo de tracción, la ductilidad y la tenacidad a la fractura bajo tensión. [112] 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.
Muy a menudo, 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 orgánica activa, se debe tener cuidado para garantizar que el aumento de la resistencia a la tracción del sustrato no se produzca a costa de que la película se fracture con deformaciones bajas. En general, es deseable que la capa activa se deforme junto 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 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 Gc , definida como el trabajo requerido para romper interfaces poliméricas separadas, con parámetros moleculares y condiciones de procesamiento. [113] [114] Junto con la cohesión, la trayectoria de propagación de la grieta después de la formación depende de las propiedades mecánicas del material a través del cual se propaga la grieta. En polímeros como P3HT que exhiben 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. [115] La técnica de pandeo mecánico también ha demostrado ser bastante exitosa en la determinación de los módulos elásticos de varias películas orgánicas delgadas. El método se basa en la inestabilidad de 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. . [116]
En el diseño de dispositivos que incorporan células solares orgánicas, Gc y la deformación en la fractura se han identificado como dos métricas que es importante considerar. La capa de heterounión masiva (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 G c objetivo de 5 J m-2 y una deformación objetivo en la fractura de 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 fullereno. Además, las propiedades mecánicas de los aceptores basados en polímeros están influenciadas por Mn , el peso molecular promedio en número de las moléculas de polímero. Se determinó que las propiedades mecánicas aumentan al aumentar M n , pero sólo una vez que Mn ha superado M c , el peso molecular crítico en el que los entrelazamientos causan que la tasa de cambio de viscosidad aumente al aumentar M n . Este fenómeno se produce porque aumentan la tasa de entrelazamiento de cadenas y la miscibilidad entre el polímero aceptor y el donante. 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. [117]
Un área importante de investigación actual es el uso de aceptores no fullerenos. Si bien los aceptores de fullereno han sido el estándar para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos orgánicos debido a su compatibilidad con los diseños de células de heterounión masivas, así como a sus buenas propiedades de transporte, tienen algunas desventajas que están llevando a los investigadores a intentar encontrar alternativas. [118] Algunos aspectos negativos de los aceptores de fullereno incluyen su inestabilidad, que tienen una sintonizabilidad energética algo limitada y tienen una absorción óptica deficiente. [118] Los investigadores han desarrollado aceptores de moléculas pequeñas que, debido a su buena sintonizabilidad energética, pueden exhibir altos voltajes de circuito abierto. [118] Combinando un donante de polímero (D18) con un aceptor de molécula pequeña (Y6), los científicos han fabricado células solares orgánicas en el laboratorio con altas eficiencias superiores al 18%. [119] Sin embargo, todavía existen desafíos importantes con los aceptores que no son fullereno, incluidas las bajas movilidades de los portadores de carga de los aceptores de moléculas pequeñas, y que la gran cantidad de moléculas posibles es abrumadora para la comunidad de investigación. [118]
Un desafío al que se enfrenta el desarrollo de células solares orgánicas que utilizan aceptores no fullerenos (NFA) es la selección de un disolvente que tenga un alto punto de ebullición y sea respetuoso con el medio ambiente, mientras que los disolventes convencionales como el cloroformo (CF) tienden a presentar puntos de ebullición bajos y toxicidad. Dicho 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 escasa solubilidad de los materiales donantes y aceptores dentro del solvente. La adición de cadenas alquílicas a los NFA ha provocado aumentos en la solubilidad pero disminuciones en el empaquetamiento molecular (apilamiento π), lo que no produce ningún impacto neto en el PCE. Se ha descubierto que el uso de asistencia al huésped beneficia tanto la solubilidad como el empaquetamiento molecular. Una molécula invitada llamada BTO con cadenas laterales de oligo(etilenglicol) (OEG) utilizadas junto con NFA Y6 como aceptor, PM6 como donante y paraxileno (PX) como disolvente sostenible y de alto punto de fusión condujo a un El aumento del PCE del 11% a más del 16% se consideró un nivel aceptable de eficiencia. [120] Otra modificación que ha tenido éxito en el desarrollo de energía fotovoltaica orgánica más limpia es el recubrimiento de sustratos por centrifugación en caliente con disolventes no halogenados. Se descubrió que la temperatura a la que se operaba el recubrimiento por centrifugado en caliente alteraba la evolución de la solución a fase sólida de las mezclas de aceptor-donante de modo que temperaturas más altas daban como resultado una mayor concentración de aceptor en la superficie del sustrato. Esto se debe a que temperaturas más altas facilitaron una menor agregación y precipitación, permitiendo que el sustrato retuviera una mayor concentración de aceptor. En un experimento, las células solares orgánicas construidas con mezclas ternarias de donante de PM6 y aceptores de Y6-1O y BO-4Cl y varios disolventes no halogenados, incluidos o-xileno y tolueno, mostraron valores de PCE superiores al 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. [121]
También se están investigando intensamente las moléculas pequeñas para que actúen como materiales donantes, reemplazando potencialmente a los donantes poliméricos. Dado que las moléculas pequeñas no varían en sus pesos moleculares 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. [122] Investigaciones recientes han demostrado que las estructuras donantes moleculares pequeñas de alto rendimiento tienden a tener estructuras planas 2-D y pueden agregarse o autoensamblarse. [122] El rendimiento sinusoidal de estos dispositivos depende en gran medida de la morfología de la capa activa; la investigación actual continúa investigando las posibilidades de moléculas pequeñas y optimizando la morfología del dispositivo a través de procesos como el recocido para diversos materiales. [122]
Otras células solares de tercera generación:
