Investigadores de la Universidad de Kansas (KU) en Estados Unidos han desarrollado materiales alternativos al silicio para la captación de energía solar mediante una estrategia de alteración de la entropía total de las moléculas orgánicas, lo que aumenta su eficiencia de conversión hasta el 20% aproximadamente.
Los materiales orgánicos se pueden ajustar para absorber luz en longitudes de onda seleccionadas y se pueden utilizar para crear paneles solares transparentes o de diferentes colores. Estas características hacen que los paneles solares orgánicos sean particularmente adecuados para su uso en edificios sostenibles de próxima generación. No obstante, una de las deficiencias de las células solares orgánicas es su baja eficiencia de conversión, aproximadamente un 12% en comparación con las células solares de silicio monocristalino, que alcanzan una eficiencia del 25%.
Según los expertos de KU, los electrones de los semiconductores orgánicos suelen unirse a sus homólogos positivos. De esta manera, la luz absorbida por los semiconductores orgánicos suele producir cuasipartículas eléctricamente neutras conocidas como ‘excitones’. Pero el desarrollo de los expertos de KU de una nueva clase de semiconductores orgánicos, conocidos como aceptores no fulerenos (NFA), pueden alcanzar una eficiencia cercana al 20%.
El estudio, publicado en la revista Advanced Materials, desvela un mecanismo microscópico que resuelve en parte el rendimiento logrado por un NFA. La clave de este descubrimiento fueron las mediciones realizadas utilizando una técnica experimental denominada ‘espectroscopia de fotoemisión de dos fotones con resolución temporal’ (TR-TPPE, por sus siglas en inglés). Este método permitió rastrear la energía de los electrones excitados con una resolución temporal de menos de una billonésima de segundo.
Aumento de la entropía total en NFA
Mediante las mediciones realizadas, los expertos observaron que algunos de los electrones excitados ópticamente en el NFA pueden obtener energía del entorno en lugar de perderla. El equipo cree que este proceso inusual ocurre a escala microscópica debido al comportamiento cuántico de los electrones, que permiten que un electrón excitado aparezca simultáneamente en varias moléculas. Esta rareza cuántica coincide con la segunda ley de la termodinámica.
En la mayoría de los casos, un objeto caliente transfiere calor a su entorno frío porque la transferencia de calor conduce a un aumento de la entropía total. Pero los investigadores descubrieron que, en el caso de las moléculas orgánicas dispuestas en una estructura nanométrica específica, la dirección típica del flujo de calor se invierte para que aumente la entropía total. Este flujo de calor invertido permite que los excitones neutros obtengan calor del entorno y se disocien en un par de cargas positivas y negativas. Estas cargas libres pueden, a su vez, producir corriente eléctrica.
Basándose en sus hallazgos experimentales, el equipo afirma que este mecanismo de separación de carga impulsado por la entropía permite que las células solares orgánicas fabricadas con NFA alcancen una eficiencia mayor. Según los investigadores, comprender el mecanismo subyacente de separación de cargas permitirá utilizar la entropía activamente para mejorar el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía.
Además, aunque los miembros del equipo de KU creen que el mecanismo descubierto en este trabajo se puede utilizar para producir células solares más eficientes, señalan que también podría ser útil para diseñar fotocatalizadores más eficientes para la producción de combustible solar.