A procura de alternativas máis sostibles e
accesibles aos paneis solares tradicionais, baseados en silicio cristalino,
impulsou o desenvolvemento de células solares orgánicas. A diferenza das
anteriores, estas empregan materiais baseados en carbono para captar a luz e
xerar electricidade. A súa fabricación promete ser máis económica e con menor
impacto ambiental, pero lograr unha produción eficiente a grande escala segue
sendo un reto. O principal obstáculo é conseguir que a capa activa, capaz de
transformar a luz en electricidade, teña un bo rendemento e sexa
suficientemente grosa para facilitar a súa produción mediante técnicas de
impresión de tintas, similares ás dunha imprenta tradicional.
Un equipo internacional coliderado polo investigador Xabier Rodríguez, do
Grupo de Polímeros do CITENI da Universidade da Coruña, logrou avances
significativos para deseñar células solares orgánicas máis grosas e eficientes.
O estudo, titulado “What Makes Thickness-Tolerant Organic Solar Cells?”
publicado en Advanced Energy Materials, conta coa colaboración do ICMAB-
CSIC, a Universidade de Heidelberg (Alemaña) e o Centro Tecnolóxico
EURECAT. A investigación céntrase en identificar que propiedades melloran o
rendemento das células solares cando se fabrican con capas activas máis
grosas, da orde de centos de nanómetros, unha característica clave para a súa
produción mediante técnicas de impresión.

Máis de 700 dispositivos e 20 combinacións de materiais

Con intelixencia artificial e simulacións avanzadas, o equipo de investigación
analizou un total de 720 células solares con 20 combinacións de materiais
diferentes para entender que fai que algúns materiais funcionen mellor que
outros cando a capa activa é máis grosa. Así puideron identificar patróns e
facer predicións sobre que combinacións poderían ser máis eficientes.

Por que importa o grosor da capa activa?

Nunha célula solar orgánica, a capa activa é a parte que absorbe luz e a
converte en cargas libres móbiles, é dicir, electricidade. En teoría, facer esta
capa máis grosa debería permitir capturar máis luz e xerar máis electricidade,
pero na práctica non sempre é así. Algúns materiais perden eficiencia a medida
que aumenta o grosor, mentres que outros seguen funcionando ben.
O estudo identificou dous grandes grupos de materiais orgánicos fotoactivos como os
materiais sensibles ao grosor, que perden eficiencia cando a capa é
demasiado grosa debido a que os electróns non conseguen ser
extraídos eficientemente e materiais resistentes ao grosor, que seguen funcionando ben mesmo con maiores espesores, superiores aos 200 nanómetros.

Simulacións avanzadas para entender o comportamento das células solares

Para comprender como se comportan a nivel electrónico as células solares, o
equipo recorreu a simulacións avanzadas de Monte Carlo Cinético (do inglés,
KMC). Estes modelos permitiron avaliar a eficiencia das células solares con
capas grosas en función da nanoestructura dos materiais que absorben a luz.
Ademais, utilizaron ferramentas de intelixencia artificial e aprendizaxe
automática baseada en árbores de decisión para analizar os datos e detectar
patróns nos seus experimentos, recompilados ao longo de varios anos de
traballo.
Os modelos preditivos mostraron que a clave para mellorar o rendemento das
células solares é usar materiais que absorban a luz de maneira
complementaria e en proporcións equilibradas. É dicir, os dous materiais
semicondutores que compoñen a capa activa deben estar mesturados de
maneira proporcional, de forma que un absorba a luz nun rango onde o outro
non pode. Isto permite aproveitar mellor a luz e aumentar a eficiencia de
conversión en electricidade, mesmo cando as capas son máis grosas.

O camiño cara a unha enerxía solar máis sostible e eficiente

Este avance é significativo porque permitiría a produción en serie de células
solares con capas máis grosas mediante técnicas de impresión, un método económico, escalable e sostible que podería acelerar a adopción da enerxía
solar orgánica de maneira masiva.
O equipo de investigación confía en que este achado axude a mellorar a
estabilidade e o rendemento das células solares orgánicas para as acercar un
paso máis ao seu uso comercial, tanto en ambientes interiores (dispositivos IoT
para Internet das Cousas) como exteriores e tamén en aplicacións concretas,
como invernadoiros.