El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos ha sintetizado dos nuevos compuestos y ha estudiado cómo las propiedades de las moléculas individuales contribuyen a las propiedades de los agregados moleculares más grandes para su aplicación en tecnologías fotovoltaicas.
Las interacciones favorables entre moléculas que provocan los agregados moleculares fotoactivos resultan de interés para las tecnologías de energía solar. Esto se debe a que, en la fotosíntesis natural y en las aplicaciones tecnológicas bioinspiradas, los agregados fotoactivos son eficientes en la transferencia de energía, es decir, el transporte de energía solar de un lugar a otro.
El equipo del NREL sintetizó diácido de tetraceno (Tc-DA) y un análogo de éter dimetílico (Tc-DE) diseñado para evitar la formación de enlaces de hidrógeno intermoleculares, al tiempo que preserva la electrónica básica del Tc-DA. La investigación ha sido publicada en ‘Journal of the American Chemical Society’.
El objetivo de este estudio era descifrar qué propiedades moleculares determinan las propiedades emergentes finales del conjunto. En el caso de las arquitecturas de captación de luz solar basadas en moléculas que apuntan a utilizar mecanismos no convencionales para utilizar el espectro solar de manera más eficiente que las células solares típicas, son las propiedades colectivas las que determinan la eficiencia, según indican los investigadores.
El Tc-DA se creó para explotar las interacciones intermoleculares de enlaces de hidrógeno en las superficies de los semiconductores y formar monocapas bien ordenadas. Sin embargo, los expertos descubrieron que se puede controlar la agregación del Tc-DA a medida que se acercaba a la superficie mediante elecciones de disolventes y concentraciones. Esto abrió nuevas posibilidades sobre los agregados basados en tetraceno y sobre cómo su tamaño y estructura ofrecen vías prometedoras para su uso en aplicaciones de captación de luz solar.
Mejoras en las pérdidas de calor en células solares
El tetraceno y sus derivados son candidatos para la fisión singlete, un proceso que puede mejorar la eficiencia al reducir la producción de calor desperdiciado y depende de disposiciones moleculares específicas que los agregados pueden lograr. Para ello, los investigadores utilizaron espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de 1 H, modelado computacional y comportamiento óptico dependiente de la concentración para investigar la posible estructura agregada de Tc-DA y Tc-DE.
El análisis espectroscópico de estado estacionario les permitió observar el comportamiento de absorción y los perfiles de emisión de los agregados. El modelado computacional utilizando la teoría funcional de la densidad, en combinación con los resultados de RMN, informó a los investigadores sobre la orientación de las moléculas dentro de una estructura agregada. Luego, los investigadores examinaron los impactos de la agregación en la dinámica del estado excitado de Tc-DA utilizando espectroscopia de absorción transitoria.
De esta manera, la combinación de RMN, estudios computacionales y resultados espectroscópicos permitió a los investigadores describir estructuras agregadas que no suelen observarse en poliacenos en fase de solución. En definitiva, los expertos descubrieron que controlar el entorno mediante el diseño molecular y el disolvente asociado permite dictar lo que hacen los electrones cuando se fotoexcitan, con importantes beneficios para su aplicación en células solares.