As células solares baseadas em moléculas orgânicas oferecem vantagens potenciais sobre os dispositivos convencionais para converter luz em eletricidade. Essas células solares orgânicas podem ser baratas, duráveis ​​e fáceis de fazer. No entanto, as células orgânicas ainda não possuem o desempenho compatível com os dispositivos convencionais. Os esforços dos cientistas para melhorar o desempenho foram limitados por sua compreensão limitada de como os elétrons excitados pela luz (ou "fotoexcitados") se tornam "portadores livres".
Em princípio, portadores livres fluem através de um material e emergem como uma corrente elétrica. Estudos científicos anteriores sugerem que a fotoexcitação leva a um par fortemente ligado que consiste em um elétron e um buraco. Esses estudos não descreveram como superar as fortes forças de ligação para formar portadores livres. Este novo estudo revela que mais locais em moléculas vizinhas podem aceitar elétrons, explicando como os portadores livres se formam diretamente.

Publicado em Materials Horizons , esta pesquisa desenvolveu um novo modelo chamado Distribution Range Electron Transfer (DRET). Modelos anteriores para a geração de portadores livres em células solares orgânicas geralmente invocavam novos fenômenos físicos para explicar os resultados experimentais. Em particular, eles disseram que os portadores livres podem se formar com eficiência que se aproxima de 100% em um material onde as cargas opostas são tradicionalmente difíceis de separar e usar.

Neste novo estudo, os cientistas sugerem uma alternativa mais simples usando conceitos bem estabelecidos. Eles se baseiam em um modelo simples de processos que transferem elétrons em moléculas, conhecido como teoria de Marcus, um modelo pelo qual Rudy Marcus recebeu o Prêmio Nobel em 1992. O novo modelo DRET pode abrir novos caminhos para células solares orgânicas eficientes.

Desenvolvido por pesquisadores do National Renewable Energy Laboratory (NREL), o novo modelo explica a geração de portadores livres em células solares orgânicas usando conceitos estabelecidos, incluindo a teoria de Marcus para transferência de elétrons, combinado com a consideração da entropia associada à interface de transferência de carga e a possibilidade de eventos de transferência de longo alcance. O modelo mostra que as regras de projeto existentes para processos de transferência de elétrons em fase de solução podem ser aplicadas a sistemas fotovoltaicos orgânicos.

Essas regras incluem, em primeiro lugar, que a força motriz seja calculada usando o conhecido termo de energia de Gibbs. Em segundo lugar, que se identifique o papel da energia de reorganização. Em terceiro lugar, são identificados os fatores que controlam a dependência da distância do acoplamento eletrônico.

O modelo ajusta os dados experimentais coletados usando experimentos de condutividade de microondas resolvidos no tempo para mapear os regimes normal, ótimo e invertido para eficiência de geração de portadora livre. A concordância qualitativa com comportamentos observados há muito tempo em dispositivos fotovoltaicos orgânicos fornece uma plataforma unificada para a compreensão dos produtos da transferência de elétrons fotoinduzida em sistemas de solução e de fase sólida. A integração desse novo modelo que captura efetivamente a natureza molecular discreta dos componentes que compõem a estrutura hierárquica das células solares orgânicas pode permitir que pesquisadores desenvolvam materiais para processos de geração de carga mais eficientes. + Explorar mais

Pesquisadores observam região invertida de Marcus de transferência de carga de materiais semicondutores de baixa dimensão