Advanced Energy Materials destaca un estudio coliderado desde o CITENI para fabricar células solares orgánicas grosas e eficientes

A procura de alternativas máis sostibles e accesibles aos paneis solares tradicionais, baseados en silicio cristalino, impulsou o desenvolvemento de células solares orgánicas. A diferenza das anteriores, estas empregan materiais baseados en carbono para captar a luz e xerar electricidade. A súa fabricación promete ser máis económica e con menor impacto ambiental, pero lograr unha produción eficiente a grande escala segue sendo un reto. O principal obstáculo é conseguir que a capa activa, capaz de transformar a luz en electricidade, teña un bo rendemento e sexa suficientemente grosa para facilitar a súa produción mediante técnicas de impresión de tintas, similares ás dunha imprenta tradicional.

Un equipo internacional coliderado polo investigador Xabier Rodríguez, do Grupo de Polímeros do Centro de Investigación en Tecnoloxías Navais e Industriais (CITENI) da Universidade da Coruña (UDC), logrou avances significativos para deseñar células solares orgánicas máis grosas e eficientes. O estudo, titulado “What Makes Thickness-Tolerant Organic Solar Cells?” publicado en Advanced Energy Materials, conta coa colaboración do ICMAB-CSIC, a Universidade de Heidelberg e o Centro Tecnolóxico EURECAT. A investigación céntrase en identificar que propiedades melloran o rendemento das células solares cando se fabrican con capas activas máis grosas, da orde de centos de nanómetros: unha característica clave para a súa produción mediante técnicas de impresión.

MÁS DE 700 DISPOSITIVOS E 20 COMBINACIÓNS DE MATERIAIS

Con intelixencia artificial e simulacións avanzadas, o equipo de investigación analizou un total de 720 células solares con 20 combinacións de materiais diferentes para entender que fai que algúns materiais funcionen mellor que outros cando a capa activa é máis grosa. Así puideron identificar patróns e facer predicións sobre que combinacións poderían ser máis eficientes.

POR QUE IMPORTA O GROSOR DA CAPA ACTIVA?

Nunha célula solar orgánica, a capa activa é a parte que absorbe luz e a converte en cargas libres móbiles, é dicir, electricidade. En teoría, facer esta capa máis grosa debería permitir capturar máis luz e xerar máis electricidade, pero na práctica non sempre é así. Algúns materiais perden eficiencia a medida que aumenta o grosor, mentres que outros seguen funcionando ben.

O estudo identificou dous grandes grupos de materiais orgánicos fotoactivos:

• Materiais sensibles ao grosor: que perden eficiencia cando a capa é demasiado grosa debido a que os electróns non conseguen ser extraídos eficientemente.
• Materiais resistentes ao grosor: que seguen funcionando ben mesmo con maiores espesores, superiores aos 200 nanómetros.

SIMULACIÓNS AVANZADAS PARA ENTENDER O COMPORTAMENTO DAS CÉLULAS SOLARES

Para comprender como se comportan a nivel electrónico as células solares, o equipo recorreu a simulacións avanzadas de Monte Carlo Cinético (do inglés, KMC). Estes modelos permitiron avaliar a eficiencia das células solares con capas grosas en función da nanoestructura dos materiais que absorben a luz. Ademais, utilizaron ferramentas de intelixencia artificial e aprendizaxe automática baseada en árbores de decisión para analizar os datos e detectar patróns nos seus experimentos, recompilados ao longo de varios anos de traballo.

Os modelos preditivos mostraron que a clave para mellorar o rendemento das células solares é usar materiais que absorban a luz de maneira complementaria e en proporcións equilibradas. É dicir, os dous materiais semicondutores que compoñen a capa activa deben estar mesturados de maneira proporcional, de forma que un absorba a luz nun rango onde o outro non pode. Isto permite aproveitar mellor a luz e aumentar a eficiencia de conversión en electricidade, mesmo cando as capas son máis grosas.

O CAMIÑO CARA A UNHA ENERXÍA SOLAR MÁIS SOSTIBLE E EFICIENTE

Este avance é significativo porque permitiría a produción en serie de células solares con capas máis grosas mediante técnicas de impresión: un método económico, escalable e sostible que podería acelerar a adopción da enerxía solar orgánica de maneira masiva.

O equipo de investigación confía en que este achado axude a mellorar a estabilidade e o rendemento das células solares orgánicas para as acercar un paso máis ao seu uso comercial, tanto en ambientes interiores (dispositivos IoT para Internet das Cousas) como exteriores e tamén en aplicacións concretas, como invernadoiros.

*Referencia: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202405735