Controlar l’emissió de llum millora el rendiment de les cèl·lules solars orgàniques
Investigadors de l’ICFO han millorat el rendiment d’una cèl·lula solar orgànica optimitzant el rendiment quàntic de fluorescència (FQY), és a dir, afavorint l’emissió de llum després de la seva absorció en lloc de la dissipació d’energia en forma de calor.
L’estudi, publicat a ACS Energy Applied Materials, demostra que el FQY associat a l’emissió de llum dins de la cèl·lula solar es pot millorar dissenyant apropiadament la interfície entre les capes d’absorció de llum i de transport de càrrega, cosa que es tradueix en un augment mesurable del voltatge de circuit obert. Aquesta metodologia és general, de manera que es podria aplicar a altres tecnologies fotovoltaiques.
Les cèl·lules solars orgàniques (OSC, per les seves sigles en anglès) utilitzen materials basats en carboni en lloc de silici per convertir la llum solar en electricitat. La seva flexibilitat, semitransparència i baix cost de fabricació les fa atractives per a aplicacions que inclouen els dispositius portables, les finestres intel·ligents i la fotovoltaica integrada en edificis. Tanmateix, les OSCs s’enfronten a un repte important quant a l’eficiència per culpa de les grans pèrdues que pateixen en el voltatge de circuit obert (Voc), la diferència de potencial elèctric entre les dues terminals d’una cèl·lula solar.
Un equip d’investigadors de l’ICFO i membres del projecte SOREC2, el Dr. Francisco Bernal-Texca, la Chiara Cortese, i la Dra. Mariia Kramarenko, dirigits pel Prof. de l’ICFO i la UPC Jordi Martorell, ha proposat recentment una nova estratègia per millorar significativament el Voc. L’equip ha abordat el rendiment quàntic de fluorescència (FQY, per les seves sigles en anglès), un determinant del Voc fins ara poc explorat que l’estudi, publicat a ACS Energy Applied Materials, demostra que és un factor crític.
Quan una cèl·lula solar absorbeix llum, l’energia d’alguns electrons augmenta, és a dir, aquests s’exciten. El FQY reflecteix com d’eficientment l’energia addicional d’aquests electrons es reemet en forma de llum en lloc de perdre’s com a calor, un procés que sovint es produeix a causa de defectes químics a les interfícies entre materials. Els investigadors de l’ICFO ara han demostrat que optimitzar el FQY pot augmentar significativament el Voc; els seus efectes, contràriament a la creença popular, no són menyspreables.
“Un FQY més elevat indica que s’han reduït les vies de pèrdua d’energia en forma de calor associades als defectes, cosa que permet que s’acumuli una densitat molt més alta de portadors de càrrega elèctrica”, explica el Dr. Francisco Bernal-Texca, primer autor de l’article. “Atès que el potencial elèctric augmenta a mesura que creix la concentració de càrregues, millorar el FQY incrementa directament el Voc, apropant el dispositiu al seu límit teòric màxim”, afegeix l’investigador.
Per arribar a aquesta conclusió, l’equip va fabricar una cèl·lula solar completament operativa en lloc de limitar-se a provar materials orgànics individuals, i va demostrar que el FQY és deu vegades més alt en el dispositiu complet. A continuació, van aplicar una capa ultrafina (de 5 nm) de fluorur de liti (LiF) sobre la capa de transport d’electrons feta de ZnO, la qual cosa va incrementar encara més el FQY, concretament en un 18%, i va donar lloc a un guany de Voc de fins a 12 mil·livolts. L’anàlisi espectroscòpica va revelar que el LiF actua com un segellant protector que passiva els defectes químics, evitant que els electrons quedin allí atrapats i es dissipin en forma de calor. Finalment, els investigadors van desenvolupar un model teòric que correlaciona l’augment del Voc amb l’increment del FQY, les prediccions del qual van concordar acuradament amb les dades experimentals.
Segons el Prof. Jordi Martorell, investigador principal de l’estudi: “La metodologia presentada té el potencial d’aplicar-se a qualsevol mena de cèl·lula solar i obre la porta a superar els límits establerts en la conversió d’energia solar”. De moment, aquest mètode ja ha evidenciat que fins i tot petites millores en l’emissió de llum poden tenir un impacte mesurable en el voltatge global.
Reference:
Francisco Bernal-Texca, Chiara Cortese, Mariia Kramarenko, and Jordi Martorell, Nongeminate Radiative Recombination and Voc in Organic Solar Cells Enhanced by a Charge Transporter/Absorber Interface Change, ACS Applied Energy Materials 2025 8 (24), 17863-17870
DOI: 10.1021/acsaem.5c02775
Acknowledgements:
The authors acknowledge the financial support by the European Commission through the SOREC2 Project (101084326). The authors also acknowledge the financial support of the AGREEN project (grant TED2021-129728BI00) funded by the Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) / Agencia Estatal de Investigación (AEI) and by the European Union "NextGenerationEU"/PRTR. The work was also partially funded by MCIN (Grant Nos. CEX2019-000910-S and PID2020-112650RB-I00), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, and Generalitat de Catalunya through Centres de Recerca de Catalunya. F.B.-T. acknowledges financial support from the AEI (Grant No. PRE2018-084881).