Una célula solar orgánica o célula solar de plástico es un tipo de fotovoltaica que utiliza electrónica orgánica, una rama de la electrónica que trata con polímeros orgánicos conductores o moléculas orgánicas pequeñas, para absorción de luz y transporte de carga para producir electricidad a partir de la luz solar mediante el efecto fotovoltaico. La mayoría de las células fotovoltaicas orgánicas son células solares de polímero.
Las moléculas utilizadas en las células solares orgánicas son procesables en solución a alto rendimiento y son baratas, lo que resulta en bajos costos de producción para fabricar un gran volumen. En combinación con la flexibilidad de las moléculas orgánicas, las células solares orgánicas son potencialmente rentables para aplicaciones fotovoltaicas. La ingeniería molecular (por ejemplo, cambiar la longitud y el grupo funcional de polímeros) puede cambiar la banda prohibida, permitiendo la sintonización electrónica. El coeficiente de absorción óptica de las moléculas orgánicas es alto, por lo que se puede absorber una gran cantidad de luz con una pequeña cantidad de materiales, generalmente del orden de cientos de nanómetros. Las principales desventajas asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas son baja eficiencia, baja estabilidad y baja resistencia en comparación con las células fotovoltaicas inorgánicas tales como las células solares de silicio.
En comparación con los dispositivos basados en silicio, las células solares de polímero son livianas (lo que es importante para sensores autónomos pequeños), potencialmente desechables y de bajo costo para fabricar (a veces utilizando productos electrónicos impresos), flexibles, personalizables a nivel molecular y potencialmente menos impactos ambientales adversos. Las células solares de polímero también tienen el potencial de mostrar transparencia, lo que sugiere aplicaciones en ventanas, paredes, dispositivos electrónicos flexibles, etc. En la figura 1 se muestra un ejemplo de dispositivo. Las desventajas de las células solares de polímero también son graves: ofrecen aproximadamente 1/3 de la eficiencia de los materiales duros, y experimenta una degradación fotoquímica sustancial.
Los problemas de ineficiencia y estabilidad de las células solares de polímeros, combinados con su promesa de bajos costos y mayor eficiencia, los convirtieron en un campo popular en la investigación de células solares. A partir de 2015, las células solares de polímero lograron más del 10% de eficiencia a través de una estructura en tándem.
Física
Una célula fotovoltaica es un diodo semiconductor especializado que convierte la luz en electricidad de corriente continua (CC). Dependiendo de la banda prohibida del material absorbente de la luz, las células fotovoltaicas también pueden convertir fotones ultravioleta (UV) de baja energía, infrarrojos (IR) o de alta energía en electricidad de CC. Una característica común tanto de las moléculas pequeñas como de los polímeros utilizados como material absorbente de la luz en la energía fotovoltaica es que todas tienen grandes sistemas conjugados. Un sistema conjugado se forma donde los átomos de carbono se unen covalentemente con enlaces simples y dobles alternados.Los electrones pz de estos hidrocarburos se deslocalizan y forman un orbital π de enlace deslocalizado con un orbital antienlazante π *. El orbital π deslocalizado es el orbital molecular ocupado más alto (HOMO), y el orbital π * es el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO). En la física orgánica de los semiconductores, el HOMO toma el rol de la banda de valencia mientras que el LUMO sirve como banda de conducción. La separación de energía entre los niveles de energía de HOMO y LUMO se considera la banda prohibida de los materiales electrónicos orgánicos y está típicamente en el rango de 1-4 eV.
Toda la luz con energía mayor que la banda prohibida del material puede ser absorbida, aunque hay una compensación para reducir la brecha de banda ya que los fotones absorbidos con energías superiores al intervalo de banda emitirán térmicamente su exceso de energía, lo que resulta en voltajes más bajos y eficiencias de conversión de energía. Cuando estos materiales absorben un fotón, se crea un estado de excitación y se confina a una molécula o a una región de una cadena de polímero. El estado excitado se puede considerar como un excitón, o un par de electrón-agujero unido por interacciones electrostáticas. En células fotovoltaicas, los excitones se dividen en pares libres de electrones por campos efectivos. Los campos efectivos se configuran creando una heterounión entre dos materiales diferentes. En la fotovoltaica orgánica, los campos efectivos rompen los excitones al hacer que el electrón caiga desde la banda de conducción del absorbente a la banda de conducción de la molécula aceptora. Es necesario que el material aceptor tenga un borde de banda de conducción que sea menor que el del material absorbente.
Las células solares poliméricas usualmente consisten en una capa de bloqueo de electrones u orificios sobre un vidrio conductor de óxido de estaño de indio (ITO) seguido de un donador de electrones y un aceptor de electrones (en el caso de células solares de heterounión a granel), un agujero o bloqueo de electrones capa y electrodo de metal en la parte superior. La naturaleza y el orden de las capas de bloqueo, así como la naturaleza del electrodo de metal, dependen de si la celda sigue una arquitectura de dispositivo normal o invertida. En una celda invertida, las cargas eléctricas salen del dispositivo en la dirección opuesta a la de un dispositivo normal porque los electrodos positivo y negativo están invertidos. Las células invertidas pueden utilizar cátodos con un material más adecuado; Las OPV invertidas disfrutan de una vida útil más larga que las OPV estructuradas regularmente, pero generalmente no alcanzan eficiencias tan altas como las OPV normales.
En las células solares poliméricas de heterounión a granel, la luz genera excitones. Separación de carga posterior en la interfaz entre un donador de electrones y una mezcla de aceptor dentro de la capa activa del dispositivo. Estas cargas luego se transportan a los electrodos del dispositivo donde las cargas fluyen fuera de la celda, realizan trabajo y luego vuelven a ingresar al dispositivo en el lado opuesto. La eficacia de la célula está limitada por varios factores, especialmente la recombinación no geminada. La movilidad de los orificios conduce a una conducción más rápida a través de la capa activa.
Los fotovoltaicos orgánicos están hechos de materiales donantes de electrones y aceptores de electrones en lugar de uniones pn semiconductoras. Las moléculas que forman la región donadora de electrones de las células fotovoltaicas orgánicas, donde se generan los pares excitón electrón-agujero, son generalmente polímeros conjugados que poseen electrones π deslocalizados que resultan de la hibridación orbital p de carbono. Estos electrones π pueden ser excitados por la luz en o cerca de la parte visible del espectro desde el orbital molecular ocupado más alto de la molécula (HOMO) hasta el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), denotado por una transición π -π *. El intervalo de energía entre estos orbitales determina qué longitud de onda de la luz puede ser absorbida.
A diferencia de un material de célula PV cristalino inorgánico, con su estructura de banda y electrones deslocalizados, los excitones en la energía fotovoltaica orgánica están fuertemente unidos con una energía entre 0.1 y 1.4 eV. Esta fuerte unión se produce porque las funciones de onda electrónicas en las moléculas orgánicas están más localizadas, y la atracción electrostática puede mantener el electrón y el agujero juntos como un excitón. El electrón y el agujero se pueden disociar proporcionando una interfaz a través de la cual disminuye el potencial químico de los electrones. El material que absorbe el fotón es el donador, y el material que adquiere el electrón se llama el aceptor. En la figura 2, la cadena del polímero es el donante y el fullereno es el aceptor.Incluso después de la disociación, el electrón y el agujero aún pueden unirse como un «par geminado», y luego se requiere un campo eléctrico para separarlos. El electrón y el agujero deben ser recolectados en los contactos. Si la movilidad del portador de carga es insuficiente, los portadores no alcanzarán los contactos, y en su lugar se recombinan en sitios de trampa o permanecen en el dispositivo como cargos espaciales indeseables que se oponen al flujo de nuevos portadores. El último problema puede ocurrir si las movilidades de electrones y huecos no coinciden.En ese caso, la fotocorriente de carga espacial limitada (SCLP) dificulta el rendimiento del dispositivo.
La fotovoltaica orgánica puede fabricarse con un polímero activo y un aceptador de electrones basado en fullereno. La iluminación de este sistema con luz visible conduce a la transferencia de electrones del polímero a una molécula de fulereno. Como resultado, la formación de una cuasipartícula fotoinducida, o polarón (P +), se produce en la cadena polimérica y el fullereno se convierte en un anión radical (C-
60). Los Polarons son muy móviles y pueden difuminarse.
Tipos de unión
El dispositivo fotovoltaico orgánico más simple presenta una heterounión plana. Una película de material activo orgánico (polímero o molécula pequeña), de donador de electrones o de tipo aceptor de electrones se intercala entre los contactos. Los excitones creados en el material activo pueden difundirse antes de recombinar y separar, el agujero y la difusión de electrones a su electrodo colector específico. Debido a que los portadores de carga tienen longitudes de difusión de solo 3-10 nm en semiconductores orgánicos amorfos típicos, las células planas deben ser delgadas, pero las células delgadas absorben menos la luz. Las heterouniones masivas (BHJ) abordan esta deficiencia. En un BHJ, una mezcla de materiales donantes y aceptores de electrones se convierte en una mezcla, que luego se separa en fases. Las regiones de cada material en el dispositivo están separadas por solo varios nanómetros, una distancia adecuada para la difusión del portador. BHJs requieren un control sensible sobre la morfología de los materiales en la nanoescala. Las variables importantes incluyen materiales, solventes y la relación de peso donador-aceptor.
El siguiente paso lógico más allá de BHJs son los nanomateriales ordenados para celdas solares u heterouniones ordenadas (OHJ). Los OHJ minimizan la variabilidad asociada con los BHJ. OHJs son generalmente híbridos de materiales inorgánicos ordenados y regiones orgánicas activas. Por ejemplo, un polímero fotovoltaico puede depositarse en poros en una cerámica tal como TiO2. Dado que los orificios aún deben difundir la longitud del poro a través del polímero a un contacto, los OHJ sufren limitaciones de espesor similares. Mitigar el cuello de botella de la movilidad del agujero es clave para mejorar aún más el rendimiento del dispositivo de OHJ.
Una sola capa
Las células fotovoltaicas orgánicas de capa única son la forma más simple. Estas células se fabrican intercalando una capa de materiales electrónicos orgánicos entre dos conductores metálicos, típicamente una capa de óxido de indio y estaño (ITO) con una función de trabajo elevada y una capa de metal con poca función de trabajo, como aluminio, magnesio o calcio. La estructura básica de tal celda se ilustra en.
La diferencia de la función de trabajo entre los dos conductores establece un campo eléctrico en la capa orgánica. Cuando la capa orgánica absorbe la luz, los electrones se excitarán al LUMO y dejarán agujeros en el HOMO, formando así excitones. El potencial creado por las diferentes funciones de trabajo ayuda a dividir los pares de excitones, tirando de electrones al electrodo positivo (un conductor eléctrico usado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito) y agujeros al electrodo negativo.
Heterounión graduada
El donador y el aceptor de electrones se mezclan de tal forma que el gradiente es gradual. Esta arquitectura combina la corta distancia de recorrido de electrones en la heterounión dispersa con la ventaja del gradiente de carga de la tecnología bicapa.
Unión continua
De forma similar a la heterounión graduada, el concepto de unión continua tiene como objetivo realizar una transición gradual de un donador de electrones a un aceptor de electrones. Sin embargo, el material aceptor se prepara directamente a partir del polímero donante en una etapa de modificación posterior a la polimerización.
Producción
Como su capa activa determina en gran medida la eficacia del dispositivo, la morfología de este componente recibió mucha atención.
Si un material es más soluble en el solvente que el otro, se depositará primero sobre el sustrato, causando un gradiente de concentración a través de la película. Esto se ha demostrado para los dispositivos de poli-3-hexil tiofeno (P3HT), éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM) donde el PCBM tiende a acumularse hacia el fondo del dispositivo tras el recubrimiento por centrifugación de las soluciones ODCB. Este efecto se observa porque el componente más soluble tiende a migrar hacia la fase «rica en disolvente» durante el procedimiento de recubrimiento, acumulando el componente más soluble hacia el fondo de la película, donde el disolvente permanece más tiempo.El espesor de la película generada afecta la segregación de las fases porque la dinámica de la cristalización y la precipitación son diferentes para soluciones más concentradas o velocidades de evaporación más rápidas (necesarias para construir dispositivos más gruesos). El enriquecimiento cristalino P3HT más cerca del electrodo colector de orificios solo se puede lograr para capas P3HT / PCBM relativamente delgadas (100 nm).
Los gradientes en la morfología inicial se generan principalmente por la velocidad de evaporación del disolvente y las diferencias en la solubilidad entre el donador y el aceptor dentro de la mezcla.Esta dependencia de la solubilidad se ha demostrado claramente utilizando derivados de fullereno y P3HT. Al usar solventes que se evaporan a un ritmo más lento (como el clorobenceno (CB) o el diclorobenceno (DCB)) puede obtener mayores grados de separación vertical o agregación, mientras que los solventes que se evaporan más rápido producen una separación vertical mucho menos efectiva. Los gradientes de solubilidad más grandes deberían conducir a una separación vertical más efectiva, mientras que los gradientes más pequeños deberían conducir a películas más homogéneas. Estos dos efectos fueron verificados en P3HT: células solares PCBM.
También se estudiaron la velocidad de evaporación del disolvente y el vapor de disolvente posterior o los procedimientos de recocido térmico. Las mezclas como P3HT: PCBM parecen beneficiarse de los procedimientos de recocido térmico, mientras que otras, como PTB7: PCBM, parecen no mostrar ningún beneficio. En P3HT, el beneficio parece provenir de un aumento de la cristalinidad de la fase P3HT que se genera a través de una expulsión de moléculas de PCBM desde estos dominios. Esto se ha demostrado a través de estudios de la miscibilidad de PCBM en P3HT, así como los cambios en la composición del dominio en función de los tiempos de recocido.
La hipótesis anterior basada en la miscibilidad no explica completamente la eficacia de los dispositivos ya que nunca existen fases amorfas puras de materiales donantes o aceptores dentro de dispositivos de heterounión a granel. Un documento de 2010 sugirió que los modelos actuales que asumen fases puras e interfaces discretas podrían fallar debido a la ausencia de regiones amorfas puras. Dado que los modelos actuales suponen la separación de fases en las interfaces sin ninguna consideración de la pureza de fase, los modelos pueden necesitar ser cambiados.
El procedimiento de recocido térmico varía dependiendo de cuándo se aplica. Dado que la migración de especies verticales está parcialmente determinada por la tensión superficial entre la capa activa y el aire u otra capa, el recocido antes o después de la deposición de capas adicionales (con mayor frecuencia el cátodo de metal) afecta el resultado. En el caso de P3HT: la migración vertical de las células solares de PCBM mejora cuando las células son recocidas después de la deposición del cátodo de metal.
La acumulación de donantes o receptores junto a las capas adyacentes podría ser beneficiosa, ya que estas acumulaciones pueden provocar efectos de bloqueo de agujeros o de electrones que podrían beneficiar el rendimiento del dispositivo. En 2009, se demostró que la diferencia en la distribución vertical en las células solares P3HT: PCBM causaba problemas con la movilidad de los electrones, lo que termina produciendo una eficiencia del dispositivo muy pobre. Los cambios simples a la arquitectura del dispositivo – el recubrimiento por centrifugado de una capa delgada de PCBM en la parte superior del P3HT – mejoran en gran medida la reproducibilidad celular, al proporcionar una separación vertical reproducible entre los componentes del dispositivo. Dado que se requiere un mayor contacto entre la PCBM y el cátodo para lograr mejores eficiencias, esto aumenta en gran medida la reproducibilidad del dispositivo.
De acuerdo con el análisis de dispersión de neutrones, las mezclas de P3HT: PCBM se han descrito como «ríos» (regiones P3HT) interrumpidas por «corrientes» (regiones PCBM).
Efectos solventes
Las condiciones para el recubrimiento por rotación y la evaporación afectan la eficiencia del dispositivo. El solvente y los aditivos influyen en la morfología donador-aceptor. Los aditivos ralentizan la evaporación, lo que conduce a polímeros más cristalinos y, por lo tanto, mejoran las conductividades y eficiencias de los orificios. Los aditivos típicos incluyen 1,8-octanoditiol, orto-diclorobenceno, 1,8-diyodooctano (DIO) y nitrobenceno. El efecto DIO se atribuyó a la solubilización selectiva de los componentes de PCBM, modifica fundamentalmente la distancia de salto promedio de los electrones y, por lo tanto, mejora la movilidad de los electrones. Los aditivos también pueden conducir a grandes aumentos en la eficiencia de los polímeros. Para las células solares HXS-1 / PCBM, el efecto se correlacionó con la generación de carga, el transporte y la estabilidad de almacenamiento. Otros polímeros como PTTBO también se benefician significativamente de DIO, logrando valores de PCE de más del 5% de aproximadamente el 3,7% sin el aditivo.
Las células solares poliméricas fabricadas a partir de cloronaftaleno (CN) como codisolvente gozan de una mayor eficacia que las fabricadas a partir de la solución más convencional de clorobenceno puro. Esto se debe a que la morfología donador-aceptor cambia, lo que reduce la separación de fases entre el polímero donante y el fullereno. Como resultado, esto se traduce en altas movilidades de hoyo. Sin codisolventes, se forman grandes dominios de fullereno que disminuyen el rendimiento fotovoltaico de la célula debido a la agregación del polímero en la solución. Esta morfología se origina en la separación de fase líquido-líquido durante el secado; La evaporación solvente hace que la mezcla entre en la región espinodal, en la cual hay fluctuaciones térmicas significativas. Los dominios grandes evitan que los electrones se recolecten de manera eficiente (disminuyendo el PCE).
Pequeñas diferencias en la estructura del polímero también pueden conducir a cambios significativos en el empaquetamiento del cristal que inevitablemente afectan la morfología del dispositivo. PCPDTBT difiere del PSBTBT causado por la diferencia en el átomo puente entre los dos polímeros (C vs. Si), lo que implica que se pueden lograr mejores morfologías con PCPDTBT: PCBM con células solares que contienen aditivos en oposición al sistema Si que logra buenas morfologías sin ayuda de sustancias adicionales
Células autoensambladas
Se investigó la química supramolecular, utilizando moléculas donadoras y aceptoras que se ensamblan con el moldeo por centrifugación y calentamiento. La mayoría de los ensamblajes supramoleculares emplean moléculas pequeñas. Los dominios donantes y aceptores en una estructura tubular parecen ideales para las células solares orgánicas.
Los polímeros Diblock que contienen fullereno producen células solares orgánicas estables tras el recocido térmico. Las células solares con morfologías prediseñadas se producen cuando se introducen las interacciones supramoleculares apropiadas.
El progreso en los BCP que contienen derivados de politiofeno produce células solares que se ensamblan en redes bien definidas. Este sistema exhibe un PCE de 2.04%. El enlace de hidrógeno guía la morfología.
La eficacia del dispositivo basada en los enfoques de copolímero todavía tiene que cruzar la barrera del 2%, mientras que los dispositivos de heterounión en masa exhiben eficiencias & gt; 7% en configuraciones de unión única.
Los copolímeros de bloque de varilla de bobina injertados con fullereno se han utilizado para estudiar la organización del dominio.
Los enfoques supramoleculares de las células solares orgánicas proporcionan una comprensión sobre las fuerzas macromoleculares que impulsan la separación del dominio.
Células de polímero infrarrojo
Las células infrarrojas absorben preferiblemente la luz en el rango infrarrojo en lugar de las longitudes de onda visibles. A partir de 2012, tales células se pueden hacer casi 70% transparentes a la luz visible. Las células supuestamente se pueden fabricar en gran volumen a bajo costo utilizando procesamiento de solución. Las células de polímero infrarrojo se pueden usar como componentes complementarios de dispositivos electrónicos portátiles, ventanas inteligentes y fotovoltaicas integradas en edificios. Las células emplean películas compuestas de nanocables de plata / dióxido de titanio como el electrodo superior, reemplazando los electrodos metálicos opacos convencionales. Con esta combinación, se logró una eficiencia de conversión de energía del 4%.
Eficiencia de conversión de energía
Uno de los principales problemas que rodean a las células solares de polímero es la Baja Eficiencia de Conversión de Energía (PCE) de las células fabricadas. Para ser considerados comercialmente viables, los PSC deben ser capaces de lograr al menos un 10-15% de eficiencia, esto es mucho más bajo que los PV inorgánicos. Sin embargo, debido al bajo costo de las células solares de polímero, una eficacia del 10-15% es comercialmente viable.
PCE (η) es proporcional al producto de la corriente de cortocircuito (JSC), el voltaje de circuito abierto (VOC) y el factor de llenado (FF).
Donde Pin es la energía solar incidente. Los recientes avances en el rendimiento de la célula solar de polímero han resultado de la compresión de la banda prohibida para mejorar la corriente de cortocircuito y al mismo tiempo reducir el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) para aumentar el voltaje de circuito abierto. Sin embargo, los PSC todavía sufren de factores de relleno bajos (típicamente por debajo del 70%). Sin embargo, a partir de 2013, los investigadores han podido fabricar PSCs con factores de relleno de más del 75%. Los científicos han podido lograr a través de un BHJ invertido y mediante el uso de combinaciones donante / aceptor no convencionales.
Comercialización
Las células solares poliméricas todavía tienen que competir comercialmente con las células solares de silicio y otras células de película delgada. La eficacia actual de las células solares de polímero se encuentra cerca del 10%, muy por debajo de las células de silicio. Las células solares de polímeros también sufren degradación ambiental, carentes de recubrimientos protectores efectivos.
Se necesitan mejoras adicionales en el rendimiento para promover la difusión del portador de carga;el transporte debe mejorarse mediante el control del orden y la morfología; y la ingeniería de interfaz debe aplicarse al problema de la transferencia de carga a través de las interfaces.
Se están llevando a cabo investigaciones para utilizar la arquitectura en tándem con el fin de aumentar la eficiencia de las células solares de polímero. Similar a la arquitectura en tándem inorgánica, se espera que la arquitectura orgánica en tándem aumente la eficiencia. En comparación con un dispositivo de unión única que utiliza materiales de banda prohibida baja, la estructura en tándem puede reducir la pérdida de calor durante la conversión de fotones a electrones.
Las células solares poliméricas no se producen ampliamente en el mercado. A partir de 2008, Konarka Technologies comenzó la producción de células solares de polímero fullereno. Los módulos iniciales tenían un 3-5% de eficiencia y solo duraban unos pocos años. Desde entonces, Konarka se declaró en bancarrota, ya que esas células solares de polímero no pudieron penetrar en el mercado fotovoltaico.
Modelado de células solares orgánicas
Como se discutió anteriormente, los semiconductores orgánicos son materiales altamente desordenados sin un orden de largo alcance. Esto significa que los bordes de la banda de conducción y de la cenefa no están bien definidos. Además, este trastorno físico y energético genera estados de trampa en los que los electrones y huecos fotogenerados pueden quedar atrapados y luego recombinarse.
La clave para describir con precisión células solares orgánicas en un modelo de dispositivo es incluir el atrapamiento de portadores y la recombinación a través de estados de trampa. Un enfoque comúnmente utilizado es usar un modelo de medio efectivo, donde por deriva estándar se usan ecuaciones de difusión para describir el transporte a través del dispositivo. Luego, se introduce una cola exponencial de estados de trampa que se descompone en el espacio de banda de los bordes de movilidad. Para describir la captura / escape de estos estados de trampa, se puede usar Shockley-Read-Hall (SRH). Se ha demostrado que el mecanismo de Shockley-Read-Hall reproduce el comportamiento del dispositivo polímero: fullereno tanto en el dominio del tiempo como en el estado estacionario.
Desafíos actuales y progreso reciente
Las dificultades asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas incluyen su baja eficiencia cuántica externa (hasta 70%) en comparación con los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos, a pesar de tener una buena eficacia cuántica interna; esto se debe a una absorción insuficiente con capas activas del orden de 100 nanómetros. Las inestabilidades contra la oxidación y la reducción, la recristalización y las variaciones de temperatura también pueden conducir a la degradación del dispositivo y a una disminución del rendimiento a lo largo del tiempo. Esto ocurre en diferentes grados para dispositivos con diferentes composiciones, y es un área en la que se está llevando a cabo una investigación activa.
Otros factores importantes incluyen la longitud de difusión del excitón, la separación de carga y la recolección de carga que se ven afectadas por la presencia de impurezas.
Movilidad y transporte del portador de la carga
Especialmente para las celdas solares de heterounión a granel, entender el transporte del transportador de carga es vital para mejorar las eficiencias de la energía fotovoltaica orgánica.Actualmente, los dispositivos de heterounión a granel tienen una movilidad desequilibrada del portador de carga, siendo la movilidad del orificio al menos un orden de magnitud menor que la movilidad del electrón; esto da como resultado una acumulación de carga de espacio y una disminución en el factor de llenado y la eficiencia de conversación de potencia de un dispositivo.Debido a su baja movilidad, la fotovoltaica de heterounión a granel eficiente debe diseñarse con capas activas delgadas para evitar la recombinación de los portadores de carga, lo que es perjudicial para la absorción y la escalabilidad en el procesamiento. Las simulaciones han demostrado que para tener una célula solar de heterounión a granel con un factor de llenado superior a 0.8 y eficiencia cuántica externa superior al 90%, debe haber una movilidad de portadora de carga equilibrada para reducir el efecto de carga espacial y un aumento de portadora de carga movilidad y / o una disminución en la constante de velocidad de recombinación bimolecular.
Efecto de la morfología de la película
Como se describió anteriormente, las heterouniones dispersas de los materiales orgánicos donantes-aceptores tienen altas eficiencias cuánticas en comparación con la heterounión plana, porque en las heterouniones dispersas es más probable que un excitón encuentre una interfaz dentro de su longitud de difusión. La morfología de la película también puede tener un efecto drástico en la eficiencia cuántica del dispositivo. Las superficies rugosas y la presencia de huecos pueden aumentar la resistencia de la serie y también la posibilidad de cortocircuitos. La morfología de la película y, como resultado, la eficiencia cuántica se puede mejorar mediante el recocido de un dispositivo después de cubrirlo con un cátodo de metal de ~ 1000 Å de espesor. La película de metal en la parte superior de la película orgánica aplica tensiones en la película orgánica, lo que ayuda a prevenir la relajación morfológica en la película orgánica. Esto proporciona películas más densamente empaquetadas y, al mismo tiempo, permite la formación de una interfaz donante-aceptora interpenetrante separada por fases dentro de la mayor parte de la película orgánica delgada.
Heterounión de crecimiento controlado
La separación de carga ocurre en la interfaz donador-receptor. Mientras viaja al electrodo, una carga puede quedar atrapada y / o recombinarse en un material orgánico interpenetrante desordenado, lo que resulta en una menor eficacia del dispositivo. El crecimiento controlado de la heterounión proporciona un mejor control sobre las posiciones de los materiales donante-aceptor, lo que resulta en una mayor eficiencia energética (relación de potencia de salida a potencia de entrada) que la de las heterouniones planas y altamente desorientadas (como se muestra en). Por lo tanto, la elección de parámetros de procesamiento adecuados para controlar mejor la estructura y la morfología de la película es altamente deseable.
Progreso en técnicas de crecimiento
La mayoría de las películas orgánicas para aplicaciones fotovoltaicas se depositan mediante revestimiento por rotación y deposición en fase de vapor. Sin embargo, cada método tiene ciertos retrocesos, la técnica de recubrimiento por centrifugación puede cubrir áreas de mayor superficie con alta velocidad, pero el uso de solventes para una capa puede degradar la capa de polímero ya existente. Otro problema está relacionado con el patrón del sustrato para el dispositivo ya que el recubrimiento por rotación da como resultado el recubrimiento del sustrato completo con un solo material.
Evaporación térmica al vacío
Otra técnica de deposición es la evaporación térmica al vacío (VTE) que implica el calentamiento de un material orgánico al vacío. El sustrato se coloca a varios centímetros de distancia de la fuente para que el material evaporado pueda depositarse directamente sobre el sustrato, como se muestra en. Este método es útil para depositar muchas capas de diferentes materiales sin interacción química entre las diferentes capas. Sin embargo, a veces hay problemas con la uniformidad del espesor de la película y el dopado uniforme sobre los sustratos de gran área. Además, los materiales que se depositan en la pared de la cámara pueden contaminar las deposiciones posteriores. Esta técnica de «línea de visión» también puede crear agujeros en la película debido al sombreado, lo que provoca un aumento en la resistencia y el cortocircuito de la serie del dispositivo.
Deposición de fase de vapor orgánico
La deposición de fase de vapor orgánico (OVPD) permite un mejor control de la estructura y la morfología de la película que la evaporación térmica al vacío. El proceso implica la evaporación del material orgánico sobre un sustrato en presencia de un gas portador inerte. La morfología de la película resultante se puede ajustar cambiando la velocidad del flujo de gas y la temperatura de la fuente. Las películas uniformes pueden crecer reduciendo la presión del gas portador, lo que aumentará la velocidad y la trayectoria libre media del gas, y como resultado, el espesor de la capa límite disminuirá. Las células producidas por OVPD no tienen problemas relacionados con la contaminación de las escamas que salen de las paredes de la cámara, ya que las paredes están calientes y no permiten que las moléculas se adhieran y produzcan una película sobre ellas.
Otra ventaja sobre el VTE es la uniformidad en la tasa de evaporación. Esto ocurre porque el gas portador se satura con los vapores del material orgánico que sale de la fuente y luego se mueve hacia el sustrato enfriado, Fig. 6 (b). Dependiendo de los parámetros de crecimiento (temperatura de la fuente, presión base y flujo del gas portador) la película depositada puede ser de naturaleza cristalina o amorfa. Los dispositivos fabricados con OVPD muestran una mayor densidad de corriente de cortocircuito que la de los dispositivos fabricados con VTE. Una capa adicional de heterounión donante-receptor en la parte superior de la célula puede bloquear excitones, al tiempo que permite la conducción de electrones; lo que resulta en una eficiencia celular mejorada.
Tinta solar orgánica
La tinta solar orgánica puede ofrecer un mayor rendimiento en condiciones de iluminación fluorescente en comparación con las células solares de silicio amorfo, y se dice que tiene un aumento del 30% al 40% en la densidad de potencia interior en comparación con la tecnología solar orgánica estándar.
Atrapamiento de luz
Se aplican varios tipos de componentes para aumentar los efectos de atrapamiento de luz (acoplamiento ligero) en células solares orgánicas delgadas. Además de la flexibilidad de las células solares orgánicas, mediante el uso de electrodos flexibles y sustratos en lugar de ITO y vidrio respectivamente, se pueden producir células solares orgánicas completamente flexibles. Mediante el uso de sustratos y sustratos flexibles, se introducen métodos más sencillos para proporcionar efectos de atrapamiento de luz a las OPV como electrodos de polímero con partículas de dispersión incrustadas, electrodos de polímero nanoimpreso, sustratos PET modelados e incluso película de visualización óptica comercializada para pantallas de cristal líquido (LCD) como sustratos. Se realizarán muchas investigaciones para mejorar el rendimiento de las OPV con el mérito del procesamiento de estructuras de atrapamiento de luz fácil.
Uso en energía fotovoltaica en tándem
Se han llevado a cabo investigaciones y estudios recientes en la utilización de una célula solar orgánica como la célula superior en una pila de células solares en tándem híbridas. Debido a que las celdas solares orgánicas tienen un espacio de banda más alto que las fotovoltaicas inorgánicas tradicionales como el silicio o CIGS, pueden absorber fotones de mayor energía sin perder gran parte de la energía debido a la termalización y, por lo tanto, operar a un voltaje más alto. Los fotones de energía más baja y los fotones de mayor energía que no se absorben pasan a través de la célula solar orgánica superior y luego son absorbidos por la celda inorgánica inferior. Las células solares orgánicas también son procesables en solución a bajas temperaturas con un bajo costo de 10 dólares por metro cuadrado, lo que resulta en una celda superior imprimible que mejora las eficiencias generales de las tecnologías existentes de células solares inorgánicas. Se han llevado a cabo muchas investigaciones para permitir la formación de una pila de células solares en tándem híbrida, incluida la investigación en la deposición de electrodos semitransparentes que mantienen una baja resistencia de contacto a la vez que tienen una gran transparencia.