Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign mejoraron la eficiencia de las OSC en un 56 % y lograron una estabilidad 50 veces mayor mediante el uso de cristales líquidos quirales en el proceso de fabricación.
Las estructuras de cristal líquido: clave para el rendimiento de las celdas solares orgánicas
Un reciente estudio realizado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha marcado un avance significativo en el campo de las celdas solares orgánicas (OSCs, por sus siglas en inglés), acercando esta tecnología un paso más hacia su viabilidad comercial.
Las OSCs representan una alternativa prometedora en el sector de la energía solar, ya que pueden convertir cualquier superficie en un generador eléctrico. Su ligereza, transparencia y flexibilidad las hacen ideales para aplicaciones donde las celdas solares de silicio tradicionales no son prácticas. Desde mochilas y tiendas de campaña equipadas con OSCs hasta ventanas capaces de generar electricidad sin afectar la visibilidad, esta tecnología abre un mundo de posibilidades en términos de sostenibilidad y autonomía energética.
Sin embargo, a pesar de sus múltiples ventajas y de su buen desempeño en entornos de laboratorio, su eficiencia y estabilidad se ven comprometidas durante el proceso de fabricación, lo que ha sido un obstáculo para su uso generalizado en el mundo real.
Optimización del ensamblaje molecular para mejorar el rendimiento
Para abordar este problema, el equipo de investigadores, liderado por la profesora de ingeniería química y biomolecular Ying Diao, centró su estudio en el proceso de ensamblaje molecular durante la fabricación de las OSCs. Estas celdas están compuestas por varias capas ultradelgadas de película, y mediante la manipulación de las condiciones de procesamiento al imprimirlas, se pueden inducir diferentes estructuras moleculares.
Según Alec M. Damron, coautor del estudio, el proceso de impresión y evaporación de la tinta influye en la disposición final de los polímeros dentro de la celda. Los experimentos demostraron que una impresión más lenta permite que la evaporación domine el proceso, lo que induce la formación de estructuras de cristal líquido antes de que la película se solidifique completamente.
Este descubrimiento es crucial porque las estructuras de cristal líquido mejoran significativamente la estabilidad y la eficiencia de las OSCs en comparación con aquellas fabricadas mediante ensamblaje aleatorio. Aún más interesante, el equipo logró manipular este proceso para obtener dos tipos de estructuras: achirales y quirales. Ambas proporcionaron una clara mejora en la eficiencia y estabilidad de las celdas, pero las estructuras quirales (de forma helicoidal) demostraron ser las más efectivas.
Resultados prometedores para la fabricación a gran escala
Azzaya Khasbaatar, coautora del estudio, explicó que la autoorganización quiral de los polímeros conjugados optimiza el empaquetamiento cristalino y la separación de fases dentro de la película. Esta mayor cristalinidad no solo mejora la eficiencia al facilitar el transporte de carga, sino que también hace que las películas sean más robustas y estables morfológicamente.
Los resultados del estudio fueron contundentes:
- Las estructuras achirales presentaron un aumento del 20 % en la eficiencia y una mejora de tres veces en la estabilidad en comparación con las estructuras aleatorias.
- Las estructuras quirales incrementaron la eficiencia en un 56 % y su estabilidad en 50 veces.
Estos datos son extremadamente alentadores para la fabricación de OSCs a gran escala, ya que demuestran que el control del ensamblaje molecular puede maximizar la eficiencia energética y prolongar la vida útil de los dispositivos.
Un paso hacia el futuro de la energía solar
El estudio también destaca un aspecto fundamental que hasta ahora no había sido suficientemente explorado: el proceso intermedio entre la aplicación de la tinta y la impresión del dispositivo. La profesora Diao señaló que este paso había sido considerado una especie de «caja negra», ya que la mayoría de las investigaciones se han centrado únicamente en el material de inicio y en el dispositivo final.
“Estamos levantando el velo sobre este proceso oculto y, al hacerlo, estamos proporcionando caminos para crear dispositivos solares orgánicos más eficientes y duraderos”, afirmó Diao.
Este avance representa un paso crucial hacia la comercialización de las celdas solares orgánicas, una tecnología que, gracias a su bajo impacto ambiental y su versatilidad, puede jugar un papel clave en la transición hacia un futuro energético sostenible.
Vía illinois.edu
Más información: “Lyotropic Liquid Crystal Mediated Assembly of Donor Polymers Enhances Efficiency and Stability of Blade-Coated Organic Solar Cells” https://doi.org/10.1002/adma.202414632
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