Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Wuhan, en China, ha fabricado una célula solar de polímero que puede alcanzar una eficiencia del 19,1 % y mantener unos niveles de estabilidad notables.
Las células solares de polímero son un subconjunto de las células solares orgánicas en las que el material activo que absorbe la luz es específicamente un polímero conjugado.
«Las células solares de polímero que emplean donantes y aceptores de electrones poliméricos demuestran propiedades mecánicas y estabilidad térmica superiores en comparación con sus homólogas de moléculas pequeñas», explicó el autor correspondiente de la investigación, Wei Li, a pv magazine. «Sin embargo, las largas cadenas conjugadas de los semiconductores poliméricos tienden a enredarse en grandes agregados desordenados, lo que da lugar a un PCE inferior y a una degradación más rápida durante el funcionamiento. Hemos descubierto que la incorporación de un aceptor de moléculas pequeñas empaquetadas linealmente puede ayudar a desenredar las cadenas poliméricas, transformando el empaquetamiento molecular desordenado en un apilamiento ordenado.
«Esta sencilla estrategia crea simultáneamente vías eficientes para el transporte de carga y reduce el volumen libre entre la capa fotoactiva», añadió el coautor Tao Wang. «Los dispositivos resultantes conservan el 97 % de la eficiencia inicial tras 2000 horas de funcionamiento al aire libre, con una vida útil extrapolada que supera las 100 000 horas. Este trabajo aclara cómo las estructuras moleculares y morfológicas de los semiconductores orgánicos determinan la vida útil del dispositivo y proporciona una vía práctica hacia la comercialización de la energía fotovoltaica orgánica flexible».
En el estudio «Ultra-stable polymer solar cells with T97 lifetime over 2,000 h in air» (Células solares de polímero ultraestables con una vida útil T97 superior a 2000 h en el aire), publicado en Matter, los investigadores explicaron que utilizaron aceptores poliméricos (PMA) en lugar de otros tipos de polímeros porque ofrecen un equilibrio distintivo entre la estabilidad estructural y el rendimiento fotovoltaico.
A diferencia de los aceptores de moléculas pequeñas (SMA), los aceptores macromoleculares poliméricos (PMA) están construidos a partir de largas cadenas conjugadas. Esta arquitectura macromolecular reduce el volumen libre en la capa activa y limita el movimiento molecular a gran escala. Como resultado, los dispositivos basados en PMA presentan una estabilidad térmica y morfológica superior, lo que se traduce en una vida útil significativamente más larga.
Las propiedades mecánicas proporcionan otra ventaja clave de los PMA. En comparación con los sistemas de moléculas pequeñas, los aceptores poliméricos forman películas más robustas y flexibles. El entrelazamiento de las cadenas mejora tanto la durabilidad mecánica como la capacidad de formación de películas, lo que resulta especialmente valioso para las células solares flexibles y de gran superficie. Por el contrario, las moléculas pequeñas tienden a cristalizar en exceso o a sufrir una separación de fases con el tiempo, lo que provoca inestabilidad morfológica y degradación del dispositivo.
Sin embargo, los PMA también tienen inconvenientes. Sus largas cadenas pueden enredarse por sí mismas en agregados desordenados en estado sólido, lo que reduce el orden estructural de la capa activa. Este desorden aumenta la recombinación de portadores de carga, lo que suele dar lugar a eficiencias de conversión de energía más bajas en comparación con los dispositivos de última generación basados en SMA. En consecuencia, existe un equilibrio entre la eficiencia y la estabilidad.
El equipo de investigación abordó este reto introduciendo una pequeña fracción de aceptores de moléculas pequeñas cuidadosamente seleccionados en la matriz PMA. Según se informa, este enfoque mejora el empaquetamiento molecular y el orden estructural, al tiempo que mitiga las pérdidas por recombinación y preserva la estabilidad térmica intrínseca del sistema polimérico.
La célula solar se fabricó sobre un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO) con una capa de transporte de huecos (HTL) de trióxido de molibdeno (MoO₃), un polímero conjugado donante de banda ancha PM6, una capa activa basada en poli (acrilato de metilo) (PMA), una capa de transporte de electrones (ETL) de buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de batocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).
Bajo iluminación estándar, el dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de energía del 19,1 %, un voltaje de circuito abierto de 0,941 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 26,3 mA/cm² y un factor de llenado del 77,3 %. Las mediciones de espectroscopia de absorción indicaron que la vida útil de la célula superaba las 2000 horas en el aire.
«En conclusión, se lograron células solares poliméricas ultraestables mediante el diseño específico de las capas fotoactivas y de transporte de carga», afirmaron los investigadores.
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