En las células solares de polímero de heterounión a granel, la luz genera excitones. La posterior separación de carga en la interfaz entre un donante de electrones y una mezcla aceptora dentro de la capa activa del dispositivo. Estas cargas luego se transportan a los electrodos del dispositivo donde las cargas fluyen fuera de la celda, realizan trabajo y luego vuelven a ingresar al dispositivo por el lado opuesto. La eficiencia de la célula está limitada por varios factores, especialmente la recombinación no geminada . La movilidad de los agujeros conduce a una conducción más rápida a través de la capa activa. [17] [18]
Los fotovoltaicos orgánicos están hechos de materiales donantes y aceptores de electrones en lugar de uniones p-n semiconductoras . Las moléculas que forman la región donante de electrones de las células fotovoltaicas orgánicas , donde se generan pares de agujeros de electrones de excitón , son generalmente polímeros conjugados que poseen electrones π deslocalizados que resultan de la hibridación del orbital p del carbono. Estos electrones π pueden ser excitados por la luz en o cerca de la parte visible del espectro desde el orbital molecular ocupado más alto de la molécula (HOMO) hasta el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), indicado por una transición π -π*. La banda prohibida de energía entre estos orbitales determina qué Las longitudes de onda de la luz pueden ser absorbidas .
A diferencia de un material de celda fotovoltaica cristalina inorgánica , con su estructura de banda y electrones deslocalizados, los excitones en la energía fotovoltaica orgánica están fuertemente ligados con una energía entre 0,1 y 1,4 eV . Esta fuerte unión ocurre porque las funciones de onda electrónica en las moléculas orgánicas están más localizadas y la atracción electrostática puede mantener juntos el electrón y el hueco como un excitón. El electrón y el hueco pueden disociarse proporcionando una interfaz a través de la cual disminuye el potencial químico de los electrones. El material que absorbe el fotón es el donante, y el material que adquiere el electrón se llama aceptor. En la Fig. 3, la cadena polimérica es el donante y el fullerenoes el aceptor. Incluso después de la disociación, el electrón y el hueco aún pueden estar unidos como un " par geminado ", y entonces se requiere un campo eléctrico para separarlos. El electrón y el hueco deben recogerse en los contactos. Si la movilidad de los portadores de carga es insuficiente, los portadores no alcanzarán los contactos y, en su lugar, se recombinarán en los sitios de trampa o permanecerán en el dispositivo como cargas espaciales no deseadas que se oponen al flujo de nuevos portadores. El último problema puede ocurrir si las movilidades de electrones y huecos no coinciden. En ese caso, la fotocorriente limitada de carga espacial (SCLP) dificulta el rendimiento del dispositivo.
La energía fotovoltaica orgánica se puede fabricar con un polímero activo y un aceptor de electrones basado en fullereno. La iluminación de este sistema con luz visible conduce a la transferencia de electrones del polímero a una molécula de fullereno. Como resultado, se produce la formación de una cuasipartícula fotoinducida , o polarón (P + ), en la cadena del polímero y el fullereno se convierte en un anión radical ( C−
60). Los polarones son muy móviles y pueden difundirse.
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