En un avance que podría acercar la energía solar barata y omnipresente a la realidad, los investigadores de la Universidad de Michigan han encontrado una forma de convencer a los electrones para que viajen mucho más lejos de lo que se pensaba anteriormente posible en los materiales utilizados a menudo para las células solares orgánicas y otros semiconductores orgánicos.
"Durante años, la gente había tratado la baja conductividad de los orgánicos como un hecho inevitable, y esto demuestra que ese no es siempre el caso", dijo Stephen Forrest, profesor distinguido de ingeniería de la Universidad Peter A. Franken y profesor Paul G. Goebelde Ingeniería en la UM, quien dirigió la investigación.
A diferencia de las células solares inorgánicas ampliamente utilizadas hoy en día, las orgánicas pueden estar hechas de materiales económicos y flexibles a base de carbono como el plástico. Los fabricantes podrían producir rollos de ellos en una variedad de colores y configuraciones, para ser laminados discretamente en casi cualquier superficie.
Sin embargo, la conductividad notoriamente pobre de los orgánicos ha ralentizado la investigación. Forrest cree que este descubrimiento podría cambiar el juego. Los hallazgos se detallan en un estudio publicado el 17 de enero en Naturaleza .
El equipo demostró que una delgada capa de moléculas de fullereno, las curiosas moléculas redondas de carbono también llamadas Buckyballs, puede permitir que los electrones viajen hasta varios centímetros desde el punto donde un fotón los suelta. Eso es un aumento dramático; en las células orgánicas actuales, los electrones pueden viajar solo unos pocos cientos de nanómetros o menos.
Los electrones, que se mueven de un átomo a otro, forman la corriente eléctrica en una célula solar o componente electrónico. Materiales como el silicio, utilizado en las células solares inorgánicas de hoy en día y otros semiconductores, tienen redes atómicas estrechamente unidas que facilitan la entrada de electrones.viajar a través del material.
Pero los materiales orgánicos tienen enlaces mucho más flojos entre las moléculas individuales, que pueden atrapar electrones. Este ha sido durante mucho tiempo un talón de Aquiles de compuestos orgánicos, pero el nuevo descubrimiento muestra que puede ser posible ajustar sus propiedades conductoras para aplicaciones específicas.
La capacidad de hacer que los electrones se muevan más libremente en semiconductores orgánicos podría tener implicaciones de largo alcance. Por ejemplo, la superficie de las células solares orgánicas de hoy en día debe cubrirse con un electrodo conductor que recolecte electrones en el punto donde se generan inicialmente.Pero los electrones que se mueven libremente se pueden recolectar lejos de su punto de origen. Esto podría permitir a los fabricantes encoger el electrodo conductor en una rejilla invisible, allanando el camino para células transparentes que podrían usarse en ventanas y otras superficies.
"Este descubrimiento esencialmente nos da una nueva perilla para girar a medida que diseñamos células solares orgánicas y otros dispositivos semiconductores orgánicos", dijo Quinn Burlingame, investigadora graduada en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la UM y autora del estudio.El transporte de electrones de rango abierto abre muchas posibilidades nuevas en la arquitectura de dispositivos ".
Burlingame dice que el descubrimiento inicial del fenómeno se produjo como un accidente ya que el equipo estaba experimentando con la arquitectura de células solares orgánicas con la esperanza de aumentar la eficiencia. Utilizando una técnica común llamada evaporación térmica al vacío, se colocaron en capas en una película delgada de C60fullerenos, cada uno formado por 60 átomos de carbono, encima de la capa productora de energía de una célula orgánica, donde los fotones de la luz solar liberan electrones de sus moléculas asociadas. Encima de los fullerenos, colocan otra capa para evitar que los electrones se desprendan.escapando
Descubrieron algo que nunca habían visto antes en un orgánico: los electrones se deslizaban sin restricciones a través del material, incluso fuera del área de generación de energía de la célula. A través de meses de experimentación, determinaron que la capa de fullereno formaba lo que se conoce comoun pozo de energía: un área de baja energía que evita que los electrones cargados negativamente se recombinen con las cargas positivas que quedan en la capa productora de energía.
"Puedes imaginar un pozo de energía como una especie de cañón: los electrones caen en él y no pueden volver a salir", dijo Caleb Cobourn, investigador graduado en el Departamento de Física de la UM y autor del estudio ".Entonces continúan moviéndose libremente en la capa de fullereno en lugar de recombinarse en la capa que produce energía, como lo harían normalmente. Es como una antena masiva que puede recolectar una carga de electrones desde cualquier parte del dispositivo ".
Forrest advierte que el uso generalizado del descubrimiento en aplicaciones como las células solares es teórico en este momento. Pero está entusiasmado por las implicaciones más grandes del descubrimiento para comprender y explotar las propiedades de los semiconductores orgánicos.
"Creo que la energía solar omnipresente es la clave para alimentar nuestro planeta en constante calentamiento y cada vez más poblado, y eso significa poner células solares en objetos cotidianos como la construcción de fachadas y ventanas", dijo Forrest. "Una tecnología como esta podría ayudarnos a producir energíade una manera económica y casi invisible "
El estudio se titula "Difusión de electrones a escala centimétrica en heteroestructuras orgánicas fotoactivas". La investigación fue apoyada por el Programa SunShot del Departamento de Energía de EE. UU. Y por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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