Las células solares fabricadas con materiales orgánicos u basados en carbono podrían superar a las tradicionales de silicio y arseniuro de galio en la generación de energía en la última frontera, según un estudio de la Universidad de Michigan.
Si bien investigaciones anteriores se centraron en qué tan bien las células solares orgánicas convertían la luz en electricidad después de la exposición a la radiación, la nueva investigación también encontró que el nivel molecular causa degradación del rendimiento.
“Los semiconductores de silicio no son estables en el espacio debido a la irradiación de protones del sol”, afirmó Yongxi Li, primer autor del estudio. Joule y científico investigador asociado de la UM en ingeniería eléctrica e informática en el momento de la investigación. “Probamos la energía fotovoltaica orgánica con protones porque se consideran las partículas más dañinas en el espacio para los materiales electrónicos”.
Las misiones espaciales suelen utilizar arseniuro de galio por su alta eficiencia y resistencia al daño de los protones, pero es caro y relativamente pesado y flexible como el silicio. Por el contrario, las células solares orgánicas pueden ser flexibles y mucho más ligeras. Este estudio se encuentra entre los que exploran la confiabilidad de los materiales orgánicos, ya que las misiones espaciales utilizan materiales altamente confiables.
Las células solares orgánicas hechas con moléculas pequeñas no parecían tener problemas con los protones: no mostraron daños después de tres años de radiación. En cambio, los fabricados con polímeros (moléculas más complejas con estructuras ramificadas) perdieron la mitad de su eficiencia.
“Descubrimos que los protones rompen algunas de las cadenas laterales y eso libera una trampa de electrones que reduce la eficiencia de la célula solar”, dijo Stephen Forst, profesor distinguido de ingeniería de la Universidad Peter A. Franken en la UM y autor principal. del estudio.
Estas trampas capturan los electrones liberados al golpear la celda, impidiendo que fluyan hacia los electrodos que recolectan energía.
“Esto se puede solucionar mediante recocido térmico o calentando la célula solar. Pero podemos encontrar formas de llenar la red con otros átomos, eliminando este problema”, dijo Forrest.
Es concebible que las células solares expuestas al sol puedan esencialmente repararse a sí mismas a temperaturas de 100 °C (212 °F), suficiente calor para reparar uniones en el laboratorio. Pero quedan preguntas: por ejemplo, ¿seguirá realizándose esta reparación en el vacío del espacio? ¿La curación es lo suficientemente fiable para misiones más largas? Puede ser más sencillo diseñar el material de manera que nunca aparezcan trampas de electrones que afecten el rendimiento.
Li planea explorar más a fondo ambas vías como profesor asociado entrante de materiales avanzados y fabricación en la Universidad de Nanjing en China.
La investigación fue financiada por Universal Display Corporation y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.
Los dispositivos se fabricaron parcialmente en la Instalación de Nanofabricación de Lowry, se expusieron a haces de protones en el Laboratorio de Haz de Iones de Michigan y se estudiaron en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan.
El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de UM Innovation Partnerships. Universal Display obtuvo la licencia de la tecnología de UM y presentó una solicitud de patente. Forrest tiene un interés financiero en Universal Display Corp.
