Lamentablemente, un material de energía solar que es notablemente duradero y asequible también es inutilizable si apenas genera electricidad, por lo que muchos investigadores habían abandonado las tecnologías solares orgánicas emergentes. Pero últimamente, un cambio en la química subyacente ha impulsado la producción de energía, y un nuevo estudioha revelado ajustes contraintuitivos que hacen que la nueva química tenga éxito.
El cambio es de "fullereno" a "aceptores no fullerenos" NFA, términos detallados a continuación, y en la generación de electricidad fotovoltaica, el aceptador es una molécula con el potencial de ser electrones, lo que un receptor es para una pelota de béisbol.Las moléculas donantes correspondientes "lanzan" electrones a los "receptores" receptores para crear corriente eléctrica. El químico altamente citado Jean-Luc Brédas del Instituto de Tecnología de Georgia ha promovido la tecnología y también dirigió el nuevo estudio.
"Los NFA son bestias complejas y hacen cosas que la tecnología solar de silicio actual no hace. Puede darles forma, hacerlos semitransparentes o coloreados. Pero su gran potencial está en la posibilidad de ajustar cómo liberan y mueven electronespara generar electricidad ", dijo Brédas, profesor de Regentes en la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech.
ganando en silicio
En los últimos cuatro años, el ajuste de la química de NFA ha impulsado la tecnología fotovoltaica orgánica al convertir inicialmente solo el 1% de la luz solar en electricidad al 18% de conversión en experimentos recientes. En comparación, los módulos solares de silicio de alta calidad que ya están en el mercado generan aproximadamente20%.
"La teoría dice que deberíamos poder alcanzar más del 25% de conversión con energía solar orgánica basada en NFA si podemos controlar la pérdida de energía por medio de la morfología", dijo Tonghui Wang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Brédas y primer autor del estudio.estudiar.
La morfología, las formas que las moléculas toman en un material, es clave para la mayor eficiencia de la tecnología solar NFA, pero la forma en que funciona a nivel molecular ha sido un misterio. El nuevo estudio modeló cuidadosamente pequeños ajustes a las formas moleculares y calculó la conversión de energía correspondiente enun emparejamiento común de donantes / aceptadores de electrones de la NFA.
El rendimiento mejorado no provino de ajustes en la mano metafórica del receptor ni de la mano de lanzamiento del donante, sino de algo similar a las posiciones de los pies del receptor. Algunas posiciones alinearon mejor el "cuerpo" del receptor con el del donante de electrones.
Los "pies" eran un componente pequeño, un grupo metoxi, en el aceptor, y dos de las cuatro posiciones posibles que tomó impulsó la conversión de la luz en electricidad del 6% al 12%. Brédas y Wang publicaron su estudio, Células solares orgánicas basadas en receptores de molécula pequeña no fullereno: impacto de la posición del sustituyente , el 20 de noviembre de 2019, en el diario materia . La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval.
El par químico donante / aceptor fue PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3 o -4, con -2 y -3 mostrando una generación de electricidad superior.
células de silicio torpes
Las células solares comercializables basadas en NFA podrían tener muchas ventajas sobre el silicio, que requiere extraer grava de cuarzo, fundirlo como hierro, purificarlo como acero, luego cortarlo y mecanizarlo. Por el contrario, las células solares orgánicas comienzan como solventes económicos que pueden ser solventesimpreso en superficies.
Las células de silicio generalmente son rígidas y pesadas y se debilitan con el calor y la tensión de la luz, mientras que las células solares basadas en NFA son ligeras, flexibles y resistentes al estrés. También tienen propiedades fotoeléctricas más complejas. En las capas fotoactivas basadas en NFA, cuando los fotonesexcita los electrones de las órbitas externas de las moléculas donantes, los electrones bailan alrededor de los agujeros de electrones que han creado, preparándolos para una transferencia personalizada a los aceptadores.
"El silicio saca un electrón de la órbita cuando los fotones lo excitan más allá de un umbral. Está encendido o apagado; o obtienes un electrón de conducción o ningún electrón de conducción", dijo Brédas, quien también es Vasser Woolley Chair en Diseño Molecular en Georgia Tech"Los NFA son más sutiles. Un donante de electrones extiende un electrón y el aceptador de electrones lo tira. La capacidad de ajustar la morfología hace que la transferencia de electrones sea sintonizable".
No es un fullereno
Como su nombre lo dice, los aceptores no fullerenos no son fullerenos, que son moléculas de carbono puro con estructuras bastante uniformes y geométricas de elementos pentagonales o hexagonales repetidos. Los nanotubos, el grafeno y el hollín son ejemplos de fullerenos, que llevan el nombre del arquitecto BuckminsterFuller, famoso por diseñar cúpulas geodésicas.
Los fullerenos tienen más estructura y capacidad de ajuste molecular que los no fullerenos, que están más libremente diseñados para ser flexibles y flexibles. Los donantes y aceptadores basados en NFA pueden envolverse entre sí como remolinos precisos de chocolate y masa de vainilla en un pastel Bundt, dándoles ventajas más allá de la donación y aceptación de electrones, como un mejor empaquetamiento molecular en un material.
"Otro punto es cómo las moléculas aceptoras están conectadas entre sí para que el electrón aceptado tenga una ruta conductora hacia un electrodo", dijo Brédas. "Y también se aplica a los donantes".
Como en cualquier celda solar, los electrones de conducción necesitan una salida del material fotovoltaico hacia un electrodo, y tiene que haber una ruta de retorno al electrodo opuesto para que los electrones que lleguen llenen los agujeros que dejaron los electrones que salen.
Citas altamente impactantes
Los reconocimientos de Brédas son numerosos, pero ha llamado especialmente la atención por su puntaje del índice h de Google Scholar, un cálculo del impacto de las publicaciones de un investigador. El puntaje actual de Breda de 146 probablemente lo ubica en los 700 investigadores publicados más impactantes enhistoria global moderna.
Ha sido un líder particularmente destacado en investigación fotoeléctrica y de semiconductores basada en química orgánica práctica y asequible.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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