Células Solares Orgánicas

Sirva este post veraniego a modo de recopilación de ideas para el trabajo de investigación que estoy realizando, la parte importante del trabajo se centrará en conocer y aplicar distintos métodos para extraer los parámetros característicos de una célula solar, mi grupo de investigación está centrado en células solares orgánicas, con lo que se estudiará si estos son aplicables a dichas células.

Pero antes de esto habrá que introducir un poco el qué, y el porqué de las células solares orgánicas

¿Qué son?

Las células solares orgánicas surgen del descubrimiento de los polímeros semiconductores, que supuso un premio nobel de química en el año 2000 para Heeger, MacDiarmid y Shirakawa, y que su posterior desarrollo llevó a la utilización de dichos polímeros en electrónica.

Generalizando, los polímeros semiconductores se pueden sintetizar de tipo p y tipo n (aceptor o donador de electrones) como el silicio, lo que nos permite crear uniones p-n, que pueden ser diodos, led’s o células solares dependiendo de lo que hagan mejor o dependiendo de la diferencia entre los niveles de energia de los polímeros.

¿Qué ventajas tienen los dispositivos orgánicos?

Entre la principales ventajas de los dispositivos orgánicos se encuentran las derivadas de la combinación de las propiedades eléctricas de los semiconductores con las propiedades físicas de los polímeros o plásticos, es decir podemos construir componentes electrónicos flexibles y ligeros, también hay que destacar que el proceso de fabricación no involucra grandes temperaturas, ya que se pueden fabricar a temperatura ambiente, y no se necesitan de unas instalaciones específicas, de hecho esto es lo que me parece más importante ya que hemos podido fabricar nuestras propias células solares en el laboratorio, con un spinner y la disolución adecuada de los polímeros.

Otra de las ventajas, y «la gran esperanza blanca» que se les presupone a las células solares orgánicas es la posibilidad de aumentar el limite teórico de eficiencia de una célula solar inorgánica que es el 30%, este límite se superaria con el uso del Quantum Dots, o de polímeros como el fullereno (que actualmente es el que mejores resultados ha dado), aunque hay que decir que actualmente el máximo nivel de eficiencia está en torno al 10% y además las células solares orgánicas tienen un problema de conservación bastante acusado, con lo que el rendimiento se reduce rápidamente.

Estructura de una célula solar orgánica

A diferencia de las células inorgánicas donde la generación de pares electrón-hueco libres es muy elevada, en las células solares se suelen producir excitones, con lo que para favorecer la transición desde este estado de excitón a pares e-h libres debemos favorecer que el recorrido de este excitón desde su formación hasta la interfase entre el polímero aceptor y donador sea el menor posible, por ello la estructura que mejor resultados está dando es la «blend» (o tener los dos tipos de polímero mezclados entre si(. En el siguiente enlace está muy bien explicado la formación y la disociación de estos estados.

Además de esta estructura, encontramos las estructura típica de «sandwich» donde una capa de polímero aceptor se coloca sobre otra de polímero donador, o incluso unas estructuras tricapas, donde entre los dos tipos de polímero se deposita una capa tipo «blend» o una capa de un polímero con bandas de energía intermedias que favorece la transición de estados.

¿En qué estoy yo?

El foco de mi trabajo se centraba en la busqueda de un modelo circuital que juste las curvas I-V obtenidas para nuestras células solares, en la bibliografía el modelo básico es el formado por un diodo y dos resistencias una paralelo Rsh, y otra en série Rs.

Estas resistencias modelan las perdidas por recombinación de portadores (Rsh), es decir las perdidas que se producen por que los pares e-h libres vuelven a combinarse con los polímeros que forman la célula antes de alcanzar la capa de conductor (ITO), y las pérdidas que se producen por la extracción de dichos portadores hacia el exterior (Rs), es decir la pérdida que se produce en la interfase entre polímero y el conductor que forma el contacto hacia el exterior.

Utilizando este modelo tendremos que buscar una serie de parámetros que ajustar que son estas dos resistencias, el factor de idealidad del diodo «n», la corriente fotogenerada «Iph» y la corriente de saturación inversa «I0», con lo que como podeís imaginar la dificultad, o el interes del trabajo está en buscar y analizar métodos de extracción de estos parámetros, ya que no todos se ajustan para todas la células.

Desgraciadamente en las células solares orgánicas Rs y Rsh son a veces de un orden muy parecido (mientras que en las células inorgánicas Rsh suele ser muy alta y Rs muy baja, que es lo que se pretende), el factor de idealidad se aleja bastante de la «idealidad (n=1) y la corriente fotogenerada no suele ser mucha con lo que es díficil hacer las aproximaciones necesarias con respecto a I0. Todo esto nos produce que lo métodos de extracción de parámetros no sean aplicables en muchos casos.

Para muestra un botón:

Ajuste para una célula solar inorgánica:

Como se puede observar se ajusta bastante bien con los dos primeros métodos, (el tercero parece que no ajusta con ninguna.

En la siguiente gráfica podemos ver un ejemplo de como se ajusta a una de nuestras células, en las que, bueno se puede hablar de cierto éxito, casi se ajustan dos.

Pero en la siguiente, ya me dirás si se puede concluir algo ;-P

Bueno si se puede concluir, que en la células que salen bien, es decir tienen un rendimiento aceptable y un buen Fill Factor funcionan relativamente bien los métodos de extracción de parámetros, pero en las otras, dejan bastante que desear.

P.D.: Este post refleja que no soy un comunicador nato, así que agradezco comentarios y si algo ha quedado oscuro y queréis que profundice, si puedo lo haré.