Dispositivos orgánicos de heterounión masiva
La creación de una fuente de energía limpia y renovable es uno de los mayores retos para la humanidad en el siglo XXI.
Los dispositivos orgánicos de heterounión masiva (DOHM’s) han pasado de ser una curiosidad científica a una tecnología atractiva y presentan propiedades adicionales a las de las células solares de silicio, como son:
- La posibilidad de preparar dispositivos flexibles.
- Una dependencia reducida a la intensidad de luz.
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La creación de una fuente de energía limpia y renovable es uno de los mayores retos para la humanidad en el siglo XXI. Aparte de la energía nuclear, todas las fuentes de energía (carbón, petróleo, viento, gas natural) hoy en día provienen del sol. No obstante, la conversión fotovoltaica (PV) directa es varios ordenes de magnitud más eficiente que el uso de estas fuentes indirectas.
Actualmente el uso global de PV está creciendo pero no tan rápido como seria deseable. El coste del módulo fotovoltaico es un parámetro crucial en este proceso, por lo que uno de los objetivos prioritarios es fabricar células solares que sean más económicas que las actuales.
Las dispositivos orgánicos de heterounión masiva (DOHM’s) proporcionan una alternativa prometedora en este sentido. Estos novedosos dispositivos han pasado de ser una curiosidad científica a una tecnología atractiva y presentan propiedades adicionales a las de las células solares de silicio, como son:
- La posibilidad de preparar dispositivos flexibles
- Una dependencia reducida a la intensidad de luz.
Esta última propiedad hace que estas celdas mantengan su eficiencia en sitios con menos luz, como por ejemplo en edificios.
Figura 1.
Esquema de una célula fotovoltaica tipo DOHM encapsulada
>Figura 2. Esquema de una DOHM ( izquierda), y la estructura química de un semiconductor polimérico tipo p (P3HT) y un semiconductor tipo n (DPM (derecha)
Figura 3. A) Clorofila, un complejo absorbente mezclado a nivel nanométrico en una membrana plegada, y B) una estructura “ heterounión” consistente de un material tipo n, y un tipo p
A continuación se describen los objetivos genéricos del proyecto y las líneas concretas de desarrollo:
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Tema
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Objetivos
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Preparación y caracterización de state-of-the-art DOHM
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Preparar rutinariamente DOHM de alta eficiencia (~4%) en al menos 3 centros españoles.
Preparación en cantidades grandes de derivados de C60 del tipo “PCBM”.
Preparar PSC de alta eficiencia en al menos 3 centros españoles combinando polímeros semiconductores
Preparación y caracterización de células solares formadas por PCBM y poli-hexil-tiofeno de 1 cm2 sobre substratos rígidos y flexibles.
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Estrategias para aumentar la eficiencia
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a) Aumentar la absorción de luz mediante la utilización de polímeros o moléculas de banda estrecha y con un alto coeficiente de absorción.
b) Optimizar el transporte de cargas mediante la preparación de morfologías más organizadas fabricando materiales nanoestructurados que se autoorganicen y que presenten una alta movilidad de carga.
c) Mejorar la extracción de cargas mediante el dopado del material orgánico en las proximidades de los electrodos o mediante la modificación de los mismos.
d) Identificar los procesos físicos responsables de las pérdidas de energía en el dispositivo mediante el estudio físico detallado de las mismas con técnicas de impedancia y espectroscopia.
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Estrategias para aumentar la estabilidad
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a) Proteger los materiales orgánicos del contacto con el aire mediante la incorporación en el dispositivo de películas inorgánicas (por ejemplo óxidos metálicos) y mediante el encapsulado del dispositivo.
b) Utilizar filtros para evitar longitudes de onda en la región UV.
c) Utilizar cátodos menos reactivos que los actuales (Al con LiF).
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Estrategias innovadoras de procesado
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a) Preparar materiales activos convenientemente funcionalizados que presenten mayor solubilidad, para facilitar su procesabilidad y conseguir la separación de fases a escala nanométrica o una mejor organización.
b) Desarrollar células con estructuras novedosas que permitan absorber mejor la luz : 1) células “tamdem” formadas por la combinación de dos células solares en las cuales cada una de ellas absorba la luz en una región. 2) células que contengan una capa delgada de un espaciador óptico (del tipo TiO2) en las proximidades del cátodo. En ambos casos el método de procesado determinará la posibilidad de conseguir la heteroestructura buscada.
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Estrategias para encapsular PSC y estudio de estabilidad a escala de laboratorio
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a) Desarrollar una línea de encapsulado a escala de laboratorio integrada en una línea de preparación y caracterización de los dispositivos.
b) Caracterizar la impermeabilidad del encapsulado.
c) Estudiar la eficiencia de los módulos encapsulados en función del tiempo y el tamaño, en condiciones controladas, para dispositivos de tamaño comprendido entre 1 cm2 y 4 cm2. Estos dispositivos serán preparados a partir de los materiales que presenten parámetros más prometedores.
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