La energía solar es fundamental para un futuro de energía limpia. Tradicionalmente, la energía solar se ha obtenido utilizando silicio, el mismo material semiconductor utilizado en los dispositivos electrónicos cotidianos. Pero los paneles solares de silicio tienen desventajas: por ejemplo, son caros y difíciles de montar en superficies curvas.
Los investigadores han desarrollado materiales alternativos para la captación de energía solar con el fin de superar estas deficiencias. Los más prometedores son los llamados semiconductores “orgánicos”, semiconductores basados en carbono que abundan en la Tierra, son económicos y respetuosos con el medio ambiente.
“Podrían potencialmente reducir el costo de producción de los paneles solares porque estos materiales pueden recubrirse en superficies arbitrarias utilizando métodos basados en soluciones, tal como pintamos una pared”, dijo Wai Lin Chen, profesor asociado de física y astronomía. Universidad de Kansas. “Estos materiales orgánicos pueden ajustarse para absorber luz en longitudes de onda seleccionadas, que pueden usarse para crear paneles solares transparentes o paneles con diferentes colores. Estas propiedades hacen que los paneles solares orgánicos sean particularmente prometedores para la próxima generación, lo que los hace adecuados para su uso en generación”. Edificios verdes y sostenibles.”
Aunque los semiconductores orgánicos ya se utilizan en los paneles de visualización de productos electrónicos de consumo como teléfonos móviles, televisores y cascos de realidad virtual, todavía no se han utilizado ampliamente en paneles solares comerciales. Un inconveniente de las células solares orgánicas es su baja eficiencia de conversión de luz en electricidad, alrededor del 12% en comparación con las células solares de silicio monocristalino que funcionan con una eficiencia del 25%.
Según Chen, los electrones de los semiconductores orgánicos suelen estar emparejados con sus homólogos positivos llamados “agujeros”. Así, la luz absorbida por los semiconductores orgánicos produce a menudo cuasipartículas eléctricamente neutras conocidas como “excitones”.
Pero el reciente desarrollo de una nueva clase de semiconductores orgánicos llamados aceptores no fullerenos (NFA) ha cambiado este paradigma. Las células solares orgánicas fabricadas con NFA pueden alcanzar eficiencias cercanas al 20 por ciento.
A pesar de su excelente rendimiento, la comunidad científica no tiene claro por qué esta nueva clase de NFA supera significativamente a otros semiconductores orgánicos.
Un estudio innovador muestra Contenido avanzado, Chan y su equipo, incluidos los estudiantes graduados Kushal Rizal (autor principal), Nino Fuller y Fatima Rodini del Departamento de Física y Astronomía, y Cindy Barry, profesora de química en KU, han descubierto un mecanismo microscópico que resuelve Parte del destacado desempeño logrado por la NFA.
La clave del descubrimiento fue una medición realizada por el autor principal Rizal utilizando una técnica experimental llamada “espectroscopia de fotoemisión de dos fotones resuelta en el tiempo” o TR-TPPE. El método permitió al equipo rastrear la energía de los electrones excitados con una resolución temporal de subpicosegundos (menos de una billonésima de segundo).
“En estas mediciones, Kushal (Rizal) observó que algunos electrones excitados ópticamente en la NFA pueden obtener energía del medio ambiente en lugar de perderla”, dijo Chan. “Esta observación es contradictoria porque los electrones excitados normalmente pierden su energía hacia el medio ambiente como una taza de café caliente pierde calor hacia su entorno”.
El equipo, cuyo trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, cree que este proceso inusual ocurre a escala microscópica gracias al comportamiento cuántico de los electrones, que hacen rebotar un electrón excitado a través de varias moléculas. Esta extrañeza cuántica se combina con la segunda ley de la termodinámica, que establece que todo proceso físico provoca un aumento de la entropía total (a menudo denominado “desorden”) para producir un proceso inusual de ganancia de energía.
“En la mayoría de los casos, un objeto más caliente transfiere calor a su entorno más frío porque la transferencia de calor conduce a un aumento de la entropía total”, dijo Rizal. “Pero descubrimos que para las moléculas orgánicas dispuestas en una estructura nanométrica específica, la dirección específica del flujo de calor se invierte, de modo que la entropía total aumenta. Este flujo de calor invertido permite que los excitones neutros obtengan calor del ambiente y se separen”. un par de cargas positivas y negativas pueden a su vez producir una corriente eléctrica.”
Basándose en sus resultados experimentales, el equipo sugiere que este mecanismo de separación de carga basado en la entropía permite que las células solares orgánicas fabricadas con NFA logren un rendimiento mucho mejor.
“Comprender los mecanismos fundamentales de separación de carga permitirá a los investigadores diseñar nuevas nanoestructuras para aprovechar la transferencia directa de entropía al calor o energía a nanoescala”, dijo Rizal. “A pesar de que la entropía es un concepto bien conocido en física y química, rara vez se ha utilizado activamente para mejorar la eficiencia de los dispositivos de conversión de energía”.
No solo eso: si bien el equipo de KU cree que los mecanismos descubiertos en este trabajo podrían usarse para crear células solares más eficientes, también creen que podría brindar a los investigadores más oportunidades para producir combustibles solares. Puede ayudar a diseñar fotocatalizadores eficientes, que son. Procesos fotoquímicos que utilizan la luz solar para convertir el carbono. Dióxido en combustibles orgánicos.
