D'esquerra a dreta: Eduardo Solano, científic del Sincrotró ALBA, i Edgar Gutiérrez, Sara Marina i Nicolas Ramos, investigadors de POLYMAT i la Universitat del País Basc, a l'interior de la cabina experimental de la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA.
Cerdanyola del Vallès, 16 de desembre de 2020. La prestigiosa revista Advanced Materials ha publicat un article que presenta per primera vegada una metodologia experimental que permet quantificar la composició de les cel·les solars, un coneixement fonamental per al disseny de dispositius més eficients i estables.
Diversos exemples de cel·les solars fabricades amb plàstics semiconductors - que ofereixen grans avantatges en aspectes econòmics, ambientals i tecnològics - han assolit enguany valors d'eficiència de fotoconversió de llum solar en energia elèctrica del 18%, arribant així a xifres que fins fa poc temps es creien només assolibles per cel·les solars inorgàniques.
Les cel·les solars plàstiques estan compostes, en realitat, per dos materials: un polímer (plàstic) semiconductor i un altre compost acceptor d'electrons. Se sap des de fa anys que, per obtenir el màxim rendiment de la cel·la solar, cal que coexisteixin tant regions on els compostos estan ben barrejats com regions en les quals els materials es troben purs (no barrejats). Això és degut al fet que quan la llum del Sol és absorbida a la cel·la solar, les càrregues elèctriques es generen més eficientment en les regions barrejades, però calen regions pures perquè aquestes càrregues arribin fins als elèctrodes i, per tant, es generi corrent elèctric. No obstant això, quant barrejades i quant pures han de ser aquestes regions és una cosa que desconeixíem fins ara, ja que no es disposava de les eines necessàries per mesurar el grau de barreja dels compostos en les cel·les solars.
En l'article es presenta per primera vegada una metodologia experimental basada en nanocalorimetria el que permet quantificar la composició - és a dir, aquest grau de mescla - de les cel·les solars. L'article destaca que, sorprenentment, tot i que un sistema mal barrejat ja és capaç de generar suficients càrregues elèctriques, no permet una adequada extracció d'aquestes càrregues i per tant la generació de corrent, ja que el transport de càrregues només és eficient en cel·les solars que inclouen regions altament mixtes.
Aquest coneixement és fonamental per establir relacions quantitatives entre la morfologia i l'eficiència de les cel·les solars orgàniques que permetran el disseny de dispositius encara més eficients i estables.
Llum de sincrotró per validar resultats
En concret en el Sincrotró ALBA, es van dur a terme experiments de dispersió de raigs X a baix angle i incidència rasant (GISAXS, per les sigles en anglès) en la línia de llum NCD-SWEET, ajudant a donar suport a la teoria que en un dels dos sistemes estudiats els compostos estan més barrejats que en l'altre.
Eduardo Solano, científic de la línia de llum, explica que "el que s'ha fet a ALBA ha estat verificar el model. És un exemple prou clar de validació de mètodes de laboratori, ja que no sempre es té accés a un sincrotró, i el temps és limitat. "
La tècnica GISAXS ha servit per comparar els diferents sistemes entre ells, ja que en funció del grau de barreja dels materials, la dispersió canvia. Aporta, per tant, un valor qualitatiu que dóna suport als resultats quantitatius de la calorimetria.
"Es tracta d'una tècnica bastant fàcil de dur a terme. Si es fa bé no degrada el material i és fàcil de preparar i mesurar. Amb la calorimetria la idea era obtenir una dada numèrica real, mentre que els raigs X ens donen un valor qualitatiu." Explica Edgar Gutiérrez, investigador postdoctoral de la UPV / EHU i un dels autors de l'article.
"El que fa encara més interessant a aquesta tècnica, és que ens permet veure el material tal com el dipositaríem en una cel·la solar. Venim sovint a ALBA per als diferents projectes que tenim i la informació que estem recopilant està sent molt interessant." Afegeix Sara Marina, estudiant de doctorat de la UPV / EHU i primera autora de l'article.
L'equip té previst dur a terme noves mesures a ALBA per estudiar diferents materials que tenen el rècord d'eficiència en cel·les solars orgàniques.
El projecte de recerca que va donar lloc a la publicació va estar liderat per Jaime Martín, investigador adscrit al Grup de Polímers de la Universitat de A Coruña; i va comptar amb la col·laboració d'investigadors i investigadores de la Universitat del País Basc (UPV / EHU), el Georgia Institute of Technology (EUA), la Universitat de Califòrnia Santa Barbara (EUA), l'Imperial College London (Regne Unit), el Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV / EHU) i el Sincrotró ALBA.
Referència: Sara Marina, Noëmi Petrina Kaufmann, Akchheta Karki, Elizabeth Gutiérrez‐Meza, Edgar Gutiérrez‐Fernández, Joachim Vollbrecht, Eduardo Solano, Barnaby Walker, James H. Bannock, John de Mello, Carlos Silva, Thuc‐Quyen Nguyen, Daniele Cangialosi, Natalie Stingelin, Jaime Martín. The Importance of Quantifying the Composition of the Amorphous Intermixed Phase in Organic Solar Cells. Advanced Materials. 2020. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202005241
