Célula fotovoltaica de polímeros

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a: navegación, búsqueda
Fig. 1. Esquema de una célula solar de plástico. PET – polietileno tereftalateo, ITO – óxido de estaño e indio, PEDOT:PSS – poly(3,4-etilenedioxitiofeno), capa activa (generalmente un polímero:mezcla de fullereno), Al – aluminio.
Fulereno C60.
Dos enlaces de PEDOT.

Las células fotovoltaicas de polímeros, es una tecnología de células solares orgánicas que producen electricidad a partir de la luz con la ayuda de polímeros semiconductores. Se trata de una tecnología relativamente nueva, estudiada en laboratorios por grupos de la industria y por las universidades de todo el mundo.

Todavía en gran parte en la fase experimental, las células fotovoltaicas de polímeros, sin embargo, ofrecen perspectivas interesantes. Se basan en macromoléculas orgánicas derivadas de la petroquímica, cuyos procesos de fabricación gastan mucha menos energía que la utilizada para las células basadas en semiconductores minerales. Su costo es mucho menor y son más ligeras y menos frágiles. Su carácter flexible las hace muy adecuadas para la integración en materiales flexibles o polímeros orgánicos o en siliconas, incluso en fibras textiles. Su desarrollo puede construirse sobre la investigación en ingeniería química, por ejemplo, en el auto-montaje de estas moléculas.[1] Su principal debilidad radica en su tiempo de vida limitado por la degradación de los polímeros cuando son expuestos a la luz del sol.

Física de dispositivo[editar]


Solarcells2m.gif
Solarcells2m.gif
Solarcells2m.gif
Solarcells1.gif
Solarcells2m.gif
Solarcells2m.gif
Solarcells2m.gif
Solarcells1.gif
Fig. 2. Cadena polimérica de polarón de difusión rodeado de moléculas de fullereno

Principio de funcionamiento[editar]

La física subyacente en el efecto fotovoltaico de los semiconductores orgánicos es más complicada de describir que la de las células de semiconductores minerales. Se trata de los diferentes orbitales moleculares, algunos ocupando el papel de banda de valencia, otros de banda de conducción, entre dos moléculas distintas, que actúan, una como donante de electrones y la otra como aceptor, organizadas en torno a una heterounión como en el caso de los minerales semiconductores.

  1. Las moléculas que sirven de donantes de electrones (para la generación de excitaciones, es decir, de pares de electrones -agujero) se caracterizan por la presencia de electrones π, por lo general en un polímero conjugado llamado de « tipo p ».
  2. Estos electrones pueden ser excitados por los fotones visibles o cerca del espectro visible, haciéndoles pasar de la orbita molecular alto ocupada (desempeñando un papel similar a la banda de valencia en un semiconductor inorgánico) al orbital molecular bajo vacante (desempeñando un papel similar a la banda de conducción): es lo que se llama la transición π-π *(que, corresponde según la analogía con los minerales semiconductores, a la inyección de los transportadores en la banda de conducción a través de la banda prohibida). La energía necesaria para esta transición determina la longitud de onda máxima que puede ser convertida en energía eléctrica por el polímero conjugado.
  3. Al contrario de lo que ocurre en los semiconductores inorgánicos, los pares de electrones - hueco en un material orgánico, se encuentran cerca, con un fuerte acoplamiento (y la energía del enlace está entre 0,1 y 1.6 V), la disociación de los excitones se alcanza en la interfase con un material aceptor de electrones en el marco del efecto de un gradiente de potencial químico en el origen de la fuerza electromotriz del dispositivo. Estos aceptores de electrones se conocen como «de tipo n».

Materiales[editar]

Estructura de los polímeros conductores, poliacetileno, poli (para-vinileno) (PPV), polianilina (X = N, NH), sulfuro de poli (X = S); Polipirrol (X = NH) y Politiofeno (X = S).

Las células fotovoltaicas orgánicas utilizan a menudo películas de poli (naftalato de etileno) (PEN), como revestimientos de protección en la superficie, cuya función principal es evitar la oxidación de los materiales orgánicos que constituyen las células fotovoltaicas orgánicas: el O2 es una impureza que actúa como un centro de recombinación electrón-hueco, degradando el rendimiento de los componentes electrónicos. Bajo estas capas de protección se encuentran una o varias unión p-n entre materiales donantes y materiales aceptores de electrones, como en las células solares clásicas de semiconductores minerales.

Un ejemplo práctico es insertar moléculas fulereno (C 60) como aceptores de electrones (tipo n) entre las cadenas de polímeros conjugados (como el PEDOT:PSS, formado por poli (3,4-ethylenedioxythiopheno) (Pédot) como donante de electrones (tipo p) mezclado con poli (sulfonato de estireno ) (PSS) para garantizar su solubilidad).

En términos generales, la investigación actual se centrará en los derivados de politiofenoes como polímeros tipo p sobre todo el poli (3-hexylthiophène) (P3HT).[2] ,,[3] con derivados del fulereno como aceptores (tipo n) tales como el [6,6]-phényl-C61-butirato de metilo (PCBM).[4] Otras uniones p/ n se están investigando, sobre todo a base de para-phénylène-vinylène (PPV) como donante, como MEH-PPV / PCBM[5] ou MDMO-PPV / PCBM,[6] o a la vez como donantes y como aceptores, tales como el MDMO-PPV / PCNEPV[7] ,.[8]

Revestimiento[editar]

Las células solares de polímeros pueden ser depositadas en superficies flexibles, como tintas con procesos de bajo coste y, esto por tanto, podría permitir hacer células solares baratas. Sin embargo, por el momento los rendimientos no son más que del 5 % en el laboratorio y este se debe mejorar antes de que puedan desempeñar un papel importante en la producción de energía fotovoltaica.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Robert D. Kennedy, Alexander L. Ayzner, Darcy D. Wanger, Christopher T Day, Merissa Halim, Saeed I. Khan, Sarah H. Tolbert, Benjamin J. Schwartz, Yves Rubin (2008). «Self-Assembling Fullerenes for Improved Bulk-Heterojunction Photovoltaic Devices». J. Am. Chem. Soc. 51 (130):  pp. 17290–17292. doi:10.1021/ja807627u. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja807627u. Consultado el 12/06/2009. 
  2. P.-J. Alet, S. Palacin1, P. Roca, I. Cabarrocas, B. Kalache, M. Firon, R. de Bettignies (2006). «Hybrid solar cells based on thin-film silicon and P3HT — A first step towards nano-structured devices». Eur. Phys. J. Appl. Phys. 36:  pp. 231-234. doi:10.1051/epjap:2006145. http://www.epjap.org/index.php?option=article&access=doi&doi=10.1051/epjap:2006145. Consultado el 12/06/2009. 
  3. M. Valadaresa, I. Silvestrea, H.D.R. Caladob, B.R.A. Nevesa, P.S.S. Guimarãesa, L.A. Curya (2009). «BEHP-PPV and P3HT blends for light emitting devices». Materials Science and Engineering: C 29 (2):  pp. 571-574. doi:10.1016/j.msec.2008.10.006. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TXG-4TP49M5-4&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=1d9879fbe37716333b67b483d071ba12. Consultado el 12/06/2009. 
  4. P. Vanlaekea, A. Swinnenb, I. Haeldermansb, G. Vanhoylandb, T. Aernoutsa, D. Cheynsa, C. Deibela, J. D’Haena, P. Heremansa, J. Poortmansa, J.V. Mancaa (2006). «P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and electro-optical characteristics». Solar Energy Materials and Solar Cells 90 (14):  pp. 2150-2158. doi:10.1016/j.solmat.2006.02.010. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVN-4B1X1JR-3&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=b982bb2f0a8b298239da31fbb1cb822a. Consultado el 12/06/2009. 
  5. Xianyu Deng, Liping Zheng, Chunhe Yang, Yongfang Li, Gang Yu, Yong Cao (2004). «Polymer Photovoltaic Devices Fabricated with Blend MEHPPV and Organic Small Molecules». J. Phys. Chem. B 11 (108):  pp. 3451–3456. doi:10.1021/jp036649i. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp036649i. Consultado el 13/06/2009. 
  6. Sylvain Chambon, Agnès Rivaton, Jean-Luc Gardette, Muriel Firon (2007). Solar Energy Materials and Solar Cells 91 (5):  pp. 394-398. doi:10.1016/j.solmat.2006.10.015. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V51-4MFCW04-3&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=b27c4871048b505dcb049813a4d64237. Consultado el 13/06/2009. 
  7. Ton Offermans, Paul A. van Hal, Stefan C. J. Meskers, Marc M. Koetse, René A. J. Janssen (2005). «Exciplex dynamics in a blend of π-conjugated polymers with electron donating and accepting properties: MDMO-PPV and PCNEPV». Phys. Rev. B 72:  pp. 045213. doi:10.1103/PhysRevB.72.045213. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.72.045213. Consultado el 12/06/2009. 
  8. Magdalena Mandoc, Welmoed Veurman, Jan Anton Koster, Marc M. Koetse, Jorgen Sweelssen, Bert de Boer, Paul W. M. Blom (2007). «Charge transport in MDMO-PPV:PCNEPV all-polymer solar cells». J. Appl. Phys. 101:  pp. 104512. doi:DOI:10.1063/1.2734101. http://link.aip.org/link/?JAPIAU/101/104512/1. Consultado el 12/06/2009.