Entre el orden y el caos: el CITENI desvela en Advanced Functional Materials una nueva organización molecular en polímeros semiconductores
Entre el orden y el caos: el CITENI desvela en Advanced Functional Materials una nueva organización molecular en polímeros semiconductores
Un estudio internacional liderado desde el Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI), con sede en el Campus Industrial de la Universidade da Coruña (UDC), describe por primera vez una fase sólida en polímeros semiconductores utilizados en dispositivos fotovoltaicos de última generación. El trabajo, publicado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials, arroja luz sobre su organización molecular interna, clave para entender su rendimiento y optimizar su fabricación
La energía solar orgánica se perfila como un interesante complemento a las tecnologías fotovoltaicas convencionales. Frente a los paneles solares de silicio, las células solares orgánicas se fabrican con materiales plásticos y, por lo tanto, son ligeras, flexibles y potencialmente más sostenibles. En concreto, estos dispositivos dependen de polímeros semiconductores —materiales plásticos con propiedades electrónicas— cuyo rendimiento está estrechamente ligado a su estructura molecular interna.
En este contexto, un estudio internacional liderado desde el Laboratorio de Polímeros Funcionales del Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI), con sede en el Campus Industrial de Ferrol de la Universidade da Coruña (UDC), ha desvelado por primera vez una nueva forma de organización molecular que tiene lugar en estos materiales: una mesofase sólida intermedia entre el orden cristalino y el desorden amorfo. El trabajo, titulado “Decoding the Structure of Benzodithiophene Polymers for High-Efficiency Organic Solar Cells”, ha sido publicado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials.
Una mesofase entre el orden y el desorden
El estudio se centra en polímeros semiconductores de tipo push-pull —que integran bloques moleculares con capacidad de donar y aceptar electrones, lo que favorece tanto la absorción de luz como el transporte de carga— basados en benzoditiazoles, una clase de compuestos muy utilizada en dispositivos solares de última generación. La investigación revela que estos materiales no son simplemente amorfos ni cristalinos, sino que presentan una estructura intermedia: una mesofase sólida. En esta fase híbrida, los polímeros se organizan en una estructura laminar, donde las cadenas principales, rígidas, se apilan como columnas. Las cadenas laterales, más flexibles, forman regiones con mayor movilidad.
“Fideos moleculares” al microscopio
“La organización de estas fases en el polímero, observada al microscopio, se asemeja a un plato de fideos, donde coexisten agrupaciones ordenadas con otras más desordenadas”, comenta Jaime Martín, investigador principal. Esta metáfora visual ayuda a comprender mejor la compleja coexistencia de orden y desorden dentro de la mesofase sólida descubierta.
Regiones ocultas hasta ahora
Uno de los grandes avances del trabajo ha sido la confirmación experimental de regiones menos ordenadas en este tipo de material. Hasta ahora no se habían observado las señales térmicas típicas de los materiales desordenados, como la transición vítrea —un cambio gradual en el que el material pierde rigidez al calentarse—, lo que dificultó su detección en estudios anteriores.
El estudio también señala que los polímeros de mayor rendimiento, como el D18 o el PM6, presentan una proporción menor de estas regiones desordenadas, lo que podría explicar su mayor eficiencia.
El calor como herramienta de ajuste
El trabajo demuestra que el calentamiento puede reorganizar significativamente la estructura interna de estos polímeros. Dependiendo de su grado de orden, atraviesan dos o tres transiciones térmicas bien definidas. Esta capacidad abre la puerta a procesos de ajuste como los tratamientos térmicos posdeposición: intervenciones que se realizan después de aplicar el polímero sobre un sustrato en forma de película delgada. Estos tratamientos son clave para optimizar la organización molecular y, por tanto, mejorar el rendimiento de los dispositivos.
“Hemos demostrado que estos polímeros forman una fase estructuralmente compleja, que combina orden, desorden, zonas rígidas y zonas flexibles; y que puede explicarse mejor como una nueva clase de mesofase sólida. Entender esta estructura nos da una poderosa herramienta para seguir mejorando las tecnologías solares orgánicas”, destaca el equipo.
Una colaboración internacional con sello gallego
Desde el Laboratorio de Polímeros Funcionales del CITENI, han contribuido como coautores al estudio Matteo Sanviti, Xabier Rodríguez, Jesika Asatryan y Jaime Martín. Junto al equipo de la UDC, también participa personal investigador de centros e instituciones como la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), POLYMAT, el Donostia International Physics Center (DIPC), el Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV/EHU), el Centro Singular de Investigación en Química Biológica e Materiales Moleculares (CiQUS) de la Universidade de Santiago de Compostela, el ALBA Synchrotron, la Chalmers University of Technology (Suecia) y la North Carolina State University (EE. UU.).
Implicaciones para la energía solar del futuro
Los resultados de este trabajo no solo aportan nuevo conocimiento fundamental en la ciencia de los materiales, sino que sientan las bases para diseñar polímeros más estables, eficientes y ligeros, aplicables no solo en el campo de la energía solar, sino también en el de la electrónica flexible y la bioelectrónica. Es un paso firme hacia tecnologías más limpias y sostenibles.
Jaime Martín y el Laboratorio de Polímeros Funcionales
Jaime Martín es Investigador Oportunius y dirige el Laboratorio de Polímeros Funcionales del CITENI, situado en el Campus Industrial de Ferrol (UDC). Su equipo trabaja en el diseño y optimización de polímeros semiconductores para usarlos en los ámbitos de la electrónica orgánica y la energía solar. Martín lidera varios proyectos internacionales, entre ellos una prestigiosa ERC Consolidator Grant del Consejo Europeo de Investigación, dotada con cerca de dos millones de euros.
Referencia: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202503634
