28/10/2013 - Los valores de eficiencia de los polímeros en celdas fotovoltaicas se acercan a los del silicio

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Un nuevo diseño de célula fotovoltaica de base orgánica alcanza valores de aprovechamiento cada vez más cercanos a los obtenidos con las tradicionales. El estudio, en el que ha participado la UMA junto al premio Príncipe de Asturias Tobin J. Marks, ha conseguido un factor de llenado del 80%, un hito internacional en este sector.

En las últimas décadas la obtención de energía proveniente de fuentes sostenibles está centrando buena parte de los esfuerzos en innovación de los centros de investigación en todo el mundo. Líneas de trabajo que conectan con un futuro cada vez más cercano en el que los combustibles fósiles irán agotándose y en el que la demanda de energía continuará su incremento. En este sentido, la Agencia Internacional de la Energía ha señalado en su último informe que el consumo energético aumentará en un 33% hasta 2035, debido, sobre todo, al desarrollo de las potencias emergentes.

En este contexto, la energía fotovoltaica es considerada por los expertos como una de las tecnologías más prometedoras y menos agresivas con el medio ambiente. De hecho, la Comisión Europea ha revelado en su último estudio sobre el sector que, a pesar de la crisis mundial, la producción de células fotovoltaicas ha mantenido su ritmo de crecimiento en el 10%, siendo nuestro continente el líder en capacidad instalada con más del 51% del total del planeta.

Pero el reto en este campo pasa en la actualidad por mejorar la eficiencia y los materiales utilizados en la fabricación de las placas fotovoltaicas. En su mayoría el compuesto del que están fabricadas es el silicio, un semiconductor inorgánico utilizado en un sinfín de aplicaciones y dispositivos, como los ordenadores, la tecnología láser e incluso la silicona médica. A pesar de que mantiene unos buenos niveles de aprovechamiento de la carga energética recibida –en torno al 25%–, para los expertos su principal inconveniente es el económico, factor que redunda en el consumidor final y que, en consecuencia, frena el despegue definitivo de la tecnología fotovoltaica. Esta es, en parte, la causa por la que equipos de investigación como el grupo Espectroscopía Molecular de Materiales para Electrónica Orgánica de la Universidad de Málaga, trabajan en la búsqueda de alternativas orgánicas al silicio que logren acercarse a su potencial como captador de energía solar, tengan un coste más reducido e incorporen a las celdas propiedades como la maleabilidad y la transparencia.

Es el caso de la doctora Rocío Ponce, integrante de este equipo, y responsable junto al jefe de grupo, J. Teodomiro López Navarrete, de la colaboración que ha realizado la UMA con un equipo de la Northwestern University (EE.UU.) dirigido por el profesor Tobin J. Marks, premio Príncipe de Asturias en 2008 y uno de los más reconocidos especialistas a nivel mundial en electrónica orgánica y catálisis.

El trabajo, que ha sido publicado este mes por la prestigiosa revista Nature Photonics, ha dado a conocer una nueva aproximación que permite aumentar la eficiencia de las células solares basadas en materiales poliméricos. “La clave reside en el aumento del fill factor o factor de llenado, el cual es uno de los parámetros determinantes de la eficiencia del dispositivo. Con nuestra aproximación, hemos conseguido alcanzar valores de hasta el 80%, todo un avance teniendo en cuenta que hasta hace poco alcanzaba solo el 70%”, explica Rocío Ponce.

De momento la fabricación a gran escala de células solares de polímeros continúa sin ser rentable en términos económicos y energéticos, ya que aún mantienen una baja tasa de conversión de energía solar en energía eléctrica en comparación con el silicio (en torno al 25%, frente al 9% o 10% de los polímeros).  Aun así, para esta investigadora el futuro de la energía solar pasará por los semiconductores orgánicos: “Las ventajas de los polímeros son muchas”, señala. “Son materiales más económicos, fácilmente procesables y que permiten la modulación de sus propiedades electrónicas de forma sencilla. Estos materiales, depositados en plásticos, pueden llevar a la fabricación de dispositivos flexibles e incluso transparentes, lo que haría posible la colocación de células solares en las ventanas de nuestras casas sin perder visibilidad. Además los sistemas poliméricos permiten el uso de técnicas económicas, como la impresión en el proceso de fabricación, lo que abarata enormemente los gastos de procesado”.

Para ello se ha trabajado en la modificación de la estructura de las células solares con derivados ‘dador-aceptor’ de poliotiofenos. Mediante la técnica TEM o de Microscopio Electrónico de Transmisión se advirtió una separación de concentraciones de materiales dentro de la lámina activa de la celda, lo que según la doctora Ponce, que ha participado en la elucidación estructural químico-cuántica del estudio, fue decisivo para experimentar una mejora en la eficiencia. “Con la aproximación experimental que hemos utilizado se crea una segregación de los distintos materiales activos en la célula solar (portadores de huecos y portadores de electrones), de forma que hay una zona más rica en un tipo de portador-dador y otra zona en la que predomina el otro portador-aceptor. Las cargas han de separarse para generar un campo eléctrico capaz de proporcionar o almacenar energía eléctrica, por lo que esa microsegregación espacial ayuda a dicho propósito, generando un mayor fill factor que, junto al voltaje de circuito abierto y la corriente máxima, son la clave de la eficiencia en este campo”, afirma.

Ref.:

Xugang Guo, Nanjia Zhou, Sylvia J. Lou, Jeremy Smith, Daniel B. Tice, Jonathan W. Hennek, Rocío Ponce Ortiz, Juan T. López Navarrete, Shuyou Li, Joseph Strzalka, Lin X. Chen, Robert P. H. Chang, Antonio Facchetti & Tobin J. Marks. "Polymer solar cells with enhanced fill factors". Nature Photonics 7 825-823. Disponible en línea: http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.207

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Universidad de Málaga

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