Récord de eficiencia en células solares totalmente orgánicas
Mientras que los paneles solares convencionales generan residuos problemáticos, las células solares totalmente de carbono prometen una alternativa respetuosa con el medio ambiente
A medida que prosiguen los esfuerzos mundiales para combatir el cambio climático, crece la demanda de energía solar. Sin embargo, dado que los paneles solares basados en silicio más utilizados en la actualidad contienen diversas sustancias peligrosas, su eliminación o reciclado causa un impacto ambiental y requiere un coste considerable. El mismo problema se aplica a las células solares de tipo película de nueva generación, como las células solares basadas en perovskita, ya que también contienen materiales potencialmente peligrosos como compuestos de plomo y óxidos metálicos. Para evitar estos problemas de eliminación y revelar una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente, los científicos han buscado células solares de tipo película compuestas íntegramente de materiales basados en el carbono (células solares totalmente orgánicas). Al carecer de metales peligrosos, pueden incinerarse de forma segura como los plásticos normales, lo que reducirá considerablemente el impacto ambiental y los costes de eliminación. A pesar de estas ventajas, las células solares totalmente orgánicas alcanzan en la actualidad una eficiencia de conversión de potencia (PCE) muy baja, de aproximadamente un 4% como máximo, muy inferior a la de las células solares de silicio convencionales (>27%) y a la de las células solares de perovskita (>26%). Por ello, se esperan grandes avances tecnológicos para conseguir células solares totalmente orgánicas de alto rendimiento.
Masahiro Nakano, Profesor Asociado del Instituto de Ciencia e Ingeniería de la Facultad de Química de la Universidad de Kanazawa, ha colaborado con científicos de REIKO Co., Ltd. (Junichi Iwai, Presidente de REIKO Co. Ltd. (Junichi Iwai, Presidente) y la Queen's University de Kingston (Canadá), y ahora ha desarrollado con éxito células solares totalmente orgánicas con la mayor eficiencia del mundo. Mientras que el rendimiento de las células solares totalmente orgánicas anteriores se limitaba a aproximadamente un 4% de PCE, las células recién desarrolladas consiguen más del doble de eficiencia que las anteriores.
Hasta ahora, dos grandes problemas habían obstaculizado el rendimiento de las células solares totalmente orgánicas. En primer lugar, la disponibilidad de materiales de electrodos transparentes orgánicos de alta conductividad adecuados para las células solares de tipo película es limitada. Se habían descrito algunos materiales orgánicos de alta conductividad, pero su preparación requería ácidos o bases fuertes, o un recocido a alta temperatura (>150°C), lo que podía dañar las películas de sustrato orgánico y las capas semiconductoras orgánicas. Para solucionar este problema, el equipo de investigación desarrolló un electrodo transparente basado en el polímero conductor PEDOT:PSS. El electrodo basado en PEDOT:PSS puede fabricarse a una temperatura más baja (80°C) sin utilizar ácidos ni bases, y demuestra una conductividad suficiente (resistencia de la lámina: <70 Ω/cuadrado) para las células solares de tipo película.
El segundo problema es la dificultad de apilar varias capas en el dispositivo de célula solar de tipo película sin dañar las capas subyacentes. En los procesos de disolución, las tintas de las capas superiores podrían dañar las capas inferiores. Para resolver este problema, desarrollaron el "método de laminación del electrodo de nanotubos de carbono". Esta técnica consiste en formar los electrodos por separado sobre las películas barrera de las células solares y luego fijarlos al dispositivo, evitando dañar las películas orgánicas inferiores durante la fabricación del electrodo. Combinando el nuevo electrodo orgánico transparente y el método de fabricación, el equipo de investigación consiguió desarrollar células solares totalmente orgánicas con una eficiencia de conversión de potencia más de dos veces superior (8,7%) a la de los modelos anteriores (4,0%). Este avance representa un paso crucial hacia la aplicación práctica de células solares totalmente orgánicas de alto rendimiento.
De cara al futuro, las células solares totalmente orgánicas son muy prometedoras para aplicaciones en zonas sensibles desde el punto de vista medioambiental, como las tierras de cultivo y los dispositivos portátiles. Además, su ligereza y flexibilidad permiten instalarlas en lugares donde los paneles solares convencionales serían poco prácticos. El equipo de investigación pretende aumentar aún más el rendimiento mejorando la conductividad de los electrodos orgánicos.
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Publicación original
Keiju Hashida, Akihiro Konishi, Hiroyuki Itaya, Kenji Takahashi, Md. Shahiduzzaman, Makoto Karakawa, Tetsuya Taima, Tatsuya Arashitani, Kimio Kawai, Ryo Nishiyama, Kohshin Takahashi, Jean‐Michel Nunzi, Masahiro Nakano; "Unlocking High‐Performance in All‐Organic Solar Cells by the Development of Organic Electrodes with No Acid and High‐Temperature Treatment and the Effective Preparation Thereof on Organic Multilayer Films"; Advanced Functional Materials, 2025-2-7
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