El dispositivo fotovoltaico orgánico más simple presenta una heterounión plana

Tipos de unión [ editar ]

El dispositivo fotovoltaico orgánico más simple presenta una heterounión plana (Fig. 1). Una película de material orgánico activo (polímero o molécula pequeña), de tipo donante de electrones o aceptor de electrones, se intercala entre los contactos. Los excitones creados en el material activo pueden difundirse antes de recombinarse y separarse, difundiéndose el hueco y el electrón a su electrodo colector específico. Debido a que los portadores de carga tienen longitudes de difusión de solo 3 a 10 nm en los típicos semiconductores orgánicos amorfos, las celdas planas deben ser delgadas, pero las celdas delgadas absorben menos la luz. Las heterouniones a granel (BHJ) abordan esta deficiencia. En un BHJ, una mezcla de materiales donantes y aceptores de electrones se moldea como una mezcla, que luego se separa en fases. Las regiones de cada material en el dispositivo están separadas por solo varios nanómetros, una distancia adecuada para la difusión del portador. Los BHJ requieren un control sensible sobre la morfología de los materiales en la nanoescala. Las variables importantes incluyen materiales, solventes y la relación de peso donante-aceptor.

El siguiente paso lógico más allá de los BHJ son los nanomateriales ordenados para células solares o las heterouniones ordenadas (OHJ). Los OHJ minimizan la variabilidad asociada con los BHJ. Los OHJ son generalmente híbridos de materiales inorgánicos ordenados y regiones orgánicas activas. Por ejemplo, un polímero fotovoltaico se puede depositar en los poros de una cerámica como el TiO ₂ . Dado que los agujeros aún deben difundir la longitud del poro a través del polímero hasta un contacto, los OHJ sufren limitaciones de espesor similares. Mitigar el cuello de botella de movilidad de agujeros es clave para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos de OHJ.

Una sola capa [ editar ]

Fig. 5: Esquema de una célula fotovoltaica orgánica monocapa

Las células fotovoltaicas orgánicas de una sola capa son la forma más simple. Estas celdas se fabrican intercalando una capa de materiales electrónicos orgánicos entre dos conductores metálicos, normalmente una capa de óxido de indio y estaño (ITO) con función de trabajo alta y una capa de metal de función de trabajo baja, como aluminio, magnesio o calcio. La estructura básica de dicha celda se ilustra en la Fig. 5.

La diferencia de función de trabajo entre los dos conductores establece un campo eléctrico en la capa orgánica. Cuando la capa orgánica absorbe la luz, los electrones se excitarán hacia el LUMO y dejarán huecos en el HOMO, formando así excitones . El potencial creado por las diferentes funciones de trabajo ayuda a dividir los pares de excitones, atrayendo electrones hacia el electrodo positivo (un conductor eléctrico que se usa para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito) y agujeros hacia el electrodo negativo. ^{[12] [13] [14]}

Ejemplos [ editar ]

En 1958 se descubrió que el efecto fotovoltaico o la creación de voltaje de una celda basada en ftalocianina magnésica (MgPc), un compuesto macrocíclico que tiene una estructura anular alterna de átomo de nitrógeno y átomo de carbono, tenía un fotovoltaje de 200 mV. ^[19] Una celda de Al/MgPc/Ag obtuvo una eficiencia fotovoltaica de 0,01% bajo iluminación a 690 nm. ^[20]

En este tipo de celdas fotovoltaicas también se utilizaron polímeros conjugados. Un dispositivo usó poliacetileno (Fig. 1) como capa orgánica, con Al y grafito , produciendo un voltaje de circuito abierto de 0,3 V y una eficiencia de recolección de carga de 0,3%. ^[21] Una celda de Al/poli(3-metil-tiofeno)/Pt tenía un rendimiento cuántico externo de 0,17 %, un voltaje de circuito abierto de 0,4 V y un factor de llenado de 0,3. ^[22] Una celda de ITO/PPV/Al mostró un voltaje de circuito abierto de 1 V y una eficiencia de conversión de energía del 0,1 % bajo iluminación con luz blanca. ^[23]

Problemas [ editar ]

Las células solares orgánicas de una sola capa no funcionan bien. Tienen eficiencias cuánticas bajas (<1 %) y eficiencias de conversión de potencia bajas (<0,1 %). Un problema importante con ellos es que el campo eléctrico resultante de la diferencia entre los dos electrodos conductores rara vez es suficiente para dividir los excitones. A menudo, los electrones se recombinan con los huecos sin llegar al electrodo.

Bicapa [ editar ]

Fig. 6: Esquema de una célula fotovoltaica orgánica multicapa.

Las celdas bicapa contienen dos capas entre los electrodos conductores (Fig. 6). Las dos capas tienen diferentes afinidades electrónicas y energías de ionización , por lo que se generan fuerzas electrostáticas en la interfaz entre las dos capas. La luz debe crear excitones en esta pequeña región cargada para una eficiente separación y recolección de carga. Los materiales se eligen para que las diferencias sean lo suficientemente grandes como para que estos campos eléctricos locales sean fuertes, lo que divide los excitones de manera mucho más eficiente que las células fotovoltaicas de una sola capa. La capa con mayor afinidad electrónica y potencial de ionización es el aceptor de electrones, y la otra capa es el donante de electrones. Esta estructura también se denomina heterounión planar donante-aceptor . ^{[12][13] [14] [15]}

Ejemplos [ editar ]

C ₆₀ tiene una alta afinidad electrónica, lo que lo convierte en un buen aceptor. La celda de doble capa AC ₆₀ /MEH-PPV tenía un factor de llenado relativamente alto de 0,48 y una eficiencia de conversión de energía de 0,04% bajo iluminación monocromática. ^[24] Las celdas PPV/C ₆₀ mostraron una eficiencia cuántica externa monocromática del 9 %, una eficiencia de conversión de energía del 1 % y un factor de llenado de 0,48. ^[25]

Los derivados del perileno muestran una alta afinidad electrónica y estabilidad química. Una capa de ftalocianina de cobre (CuPc) como donante de electrones y un derivado tetracarboxílico de perileno como aceptor de electrones, que fabrica una celda con un factor de llenado de hasta 0,65 y una eficiencia de conversión de energía del 1 % bajo iluminación AM2 simulada. ^[26] Halls et al. fabricó una celda con una capa de bis (fenetilimido) perileno sobre una capa de PPV como donante de electrones. Esta celda tenía una eficiencia cuántica externa máxima del 6 % y una eficiencia de conversión de energía del 1 % bajo iluminación monocromática, y un factor de llenado de hasta 0,6. ^[27]

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