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Las vibraciones moleculares limitan la eficiencia de las celdas solares orgánicas

Actualmente, las OPV poseen muchas pérdidas de voltaje

Actualmente, las OPV poseen muchas pérdidas de voltaje

Investigación, Desarrollo e Innovación
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Los científicos de TU Dresden y la Universidad Hasselt en Bélgica investigaron las causas físicas que limitan la eficiencia de las nuevas celdas solares basadas en materiales moleculares orgánicos.

Actualmente, el voltaje de las celdas solares orgánicas, sigue siendo demasiado bajo, una de las razones de que su eficiencia sea relativamente baja es debido a las vibraciones moleculares. 

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Al investigar las vibraciones de las moléculas en las películas delgadas, los científicos de la Technische Universitaet Dresden y de la Universidad Hasselt pudieron demostrar que los efectos cuánticos fundamentales, llamados vibraciones de punto cero, pueden hacer una contribución significativa a las pérdidas de voltaje. El estudio ha sido publicado en la revista Nature Communications.

Las células solares son un punto de cristalización de grandes esperanzas para la transformación necesaria de la producción de energía global. La energía fotovoltaica orgánica (Organic photovoltaics, OPV, por sus siglas en inglés), que se basa en materiales orgánicos, es decir, a base de carbono, podría ser ideal para convertirse en un pilar importante en la combinación energética de las "energías renovables" porque tienen un mejor balance ecológico en comparación a los módulos convencionales basados en silicio y sólo se requiere una pequeña cantidad de material para producir las películas delgadas. Sin embargo, es necesario aumentar su eficiencia. Hoy en día el voltaje de circuito abierto, posee valores demasiado bajos, en ese sentido, es una de las principales razones por la que la eficiencia aún es bastante moderada en las OPV.

El estudio investigó las razones físicas de esto, incluidas las vibraciones de las moléculas en las películas delgadas. Se demostró que las llamadas vibraciones de punto cero, un efecto de la física cuántica que caracteriza el movimiento a temperatura absoluta cero, pueden tener una influencia significativa en las pérdidas de voltaje. Ello muestra una relación directa entre las propiedades moleculares y las propiedades del dispositivo macroscópico. La investigación resulta en información importante para el desarrollo y la mejora de nuevos materiales orgánicos.  

El borde de baja energía de los espectros de absorción óptica es crucial para el rendimiento de las células solares, pero en el caso de las células solares orgánicas con muchos factores de influencia aún no se comprende bien. En el presente estudio, se investigó el origen microscópico de las bandas de absorción en los sistemas de mezcla molecular y su papel en las células solares orgánicas. La atención se centró en la dependencia de la temperatura de las características de absorción, que se investigó teóricamente teniendo en cuenta las vibraciones moleculares. Las simulaciones coincidieron muy bien con los espectros de absorción medidos experimentalmente que conducen a una serie de hallazgos importantes.

Los autores descubrieron que las vibraciones de punto cero, mediadas por la interacción electrón-fonón, causan un ancho de banda de absorción considerable. Esto conduce a la reemisión de una parte de la energía que no se utiliza y, por lo tanto, reduce el voltaje de circuito abierto. Estas pérdidas de voltaje ahora se pueden predecir a partir de parámetros moleculares electrónicos y vibrónicos. Lo que es inusual es que este efecto es fuerte incluso a temperatura ambiente y puede reducir significativamente la eficiencia de la célula solar orgánica. Las estrategias para reducir estas pérdidas de tensión inducidas por vibraciones están siendo discutidas por los autores para un mayor número de sistemas y diferentes geometrías de heterojunción.  

 

Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com 

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