El desorden hace más eficientes las celdas solares plásticas
Estas imágenes de rayos X revelan la estructura microscópica de dos polímeros plásticos semiconductores. La imagen inferior, con varios cristales grandes colocados en línea, es una muestra de un polímero altamente ordenado. La imagen superior muestra un polímero desordenado con muchos cristales diminutos que son difícilmente detectables. (Crédito: Jonathan Rivnay,Stanford and Michael Toney, SSRL/SLAC)
Los científicos han intentado por decenas de años construir celdas solares plásticas flexibles lo suficientemente eficientes para competir con las celdas convencionales fabricadas de silicio.
Para incrementar la eficiencia, algunos grupos de investigación han tratado de crear nuevos materiales plásticos que mejoren el flujo de electricidad a través de la celda solar.
Otros grupos buscaron mejores resultados al rediseñar polímeros flexibles en cristales ordenados similares al silicio, pero el flujo de electricidad no mejoró.
Recientemente, los científicos descubrieron que el desorden a nivel molecular mejora la eficiencia del polímero.
Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford proporcionan una explicación para este sorprendente resultado. Su descubrimiento podría acelerar el desarrollo de celdas solares de bajo costo disponibles comercialmente.
“La gente creía que si fabricabas el polímero de forma similar al silicio, tendrías un mejor rendimiento”, dice Alberto Salleo, co-autor del estudio. “Sin embargo, descubrimos que los polímeros no forman cristales bien ordenados de manera natural. Ellos forman cristales pequeños y desordenados, y eso está muy bien”.
En lugar de tratar de simular la estructura del silicio, Salleo y sus colegas recomendaron que los científicos deberían aprender a tratar con el desorden inherente en la naturaleza de los plásticos.
Electrones veloces
En el estudio, el equipo de Stanford se enfocó en una clase de material orgánico conocido como polímero conjugado o semiconductor –cadenas de átomos de carbono que tienen las propiedades del plástico y la posibilidad de absorber la luz del sol y conducir electricidad.
Descubiertos hace casi 40 años, los polímeros semiconductores han sido durante largo tiempo considerados candidatos ideales para celdas solares ultradelgadas, diodos emisores de luz y transistores. A diferencia del cristal de silicio utilizado en techos solares, los polímeros semiconductores son ligeros y pueden ser procesados a temperatura ambiente con impresoras de inyección de tinta y otras técnicas económicas. Si es así, ¿por qué no tenemos edificios completos recubiertos de celdas solares plásticas?
“Una razón importante por la que no han sido comercializados es su baja eficiencia”, dijo Salleo. “En una celda solar, los electrones deben moverse a través del material muy rápidamente, pero los polímeros semiconductores tienen una movilidad muy pobre”.
Análisis de rayos X
Para saber del por qué de esta lentitud, el equipo de Stanford tomó muestras del material para ser analizadas con rayos X en el SLAC National Accelerator Laboratory. Los rayos X revelaron una estructura molecular que parecía una huella digital mal hecha. Algunos polímeros parecían hebras amorfas de espagueti, mientras que otras formaron pequeños cristales de unas cuantas moléculas de longitud.
“Los cristales eran tan pequeños y desordenados que difícilmente detectabas su presencia con rayos X”, dijo Salleo. “En realidad, los científicos han asumido que no estaban allí”.
Al analizar la emisiones de luz de la electricidad fluyendo a través de las muestras, el equipo de Stanford determinó que una cantidad numerosa de pequeños cristales se encontraba en todo el material y estaban conectados por cadenas largas de polímeros, como las cuentas de un collar. El tamaño diminuto de los cristales fue un factor crucial para mejorar el rendimiento general, dijo Salleo.
“Al ser pequeños permiten a un electrón cargado viajar a través del cristal y rápidamente pasar a otro”, dijo. “La cadena de polímero largo luego transporta al electrón rápidamente a través del material. Eso explica el por qué tienen un factor mayor de movilidad que los cristales más grandes y desconectados”.
Otra desventaja de polímeros cristalinos grandes es que tienen a ser insolubles y por lo tanto no pueden ser fabricados con impresora de inyección de tinta y otras tecnologías similares de procesamiento, añadió.
“Nuestra conclusión es que no requieres hacer algo rígido para que forme cristales grandes”, dijo Salleo. “Lo que necesitas es diseñar con cristales pequeños y desordenados colocados muy cerca y conectados a cadenas de polímero. Los electrones viajarán a través de los cristales como en una super carretera, ignorando el resto de material plástico, que es amorfo y un conductor eléctrico deficiente”.
“Trata de diseñar un material que pueda tener tanto desorden como sea posible”, recomendó.
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