O objetivo de fazer células solares orgânicas baratas pode ter se tornado um pouco mais acessível com uma nova compreensão da ciência básica da separação de carga apresentada em um artigo publicado online hoje, 3 de fevereiro, no Nature Communications . Co-autoria do engenheiro elétrico da Penn State Noel Giebink com a autora principal Bethany Bernardo, um estudante de graduação em seu grupo, e colegas do IMEC na Bélgica, Argonne National Lab, Noroeste, e Princeton, o artigo sugere regras de design para fazer células solares mais eficientes no futuro.

As células solares orgânicas atualmente têm uma eficiência máxima de aproximadamente 10 por cento em laboratório, muito menos do que o silício de cristal único inorgânico. Um dos desafios para a realização de células orgânicas eficientes está em separar os pares fortemente ligados formados por um elétron carregado negativamente e seu orifício carregado positivamente que resulta da absorção de luz, referido coletivamente como um exciton. O elétron e o buraco precisam ser separados para formar uma corrente.

A forma como isso é feito é criando uma heterojunção, que são dois semicondutores orgânicos diferentes um ao lado do outro, um dos quais gosta de abrir mão de um elétron e o outro que aceita o elétron, assim, dividindo o exciton original em um elétron e um buraco que residem nas moléculas próximas. Uma questão de longa data na área, Contudo, é como o elétron e o buraco próximos - ainda fortemente atraídos um pelo outro nesta fase - conseguem se separar completamente para gerar corrente com a eficiência observada na maioria das células solares.

Ao longo dos últimos anos, uma nova perspectiva propôs que a alta eficiência de separação depende de um efeito quântico - o elétron ou buraco pode existir em um estado de onda espalhado por várias moléculas próximas ao mesmo tempo. Quando a função de onda de uma das operadoras entra em colapso em um local suficientemente longe de seu parceiro, as cargas podem ser separadas mais facilmente. O trabalho de Giebink e colegas fornece novas evidências convincentes para apoiar esta interpretação e identificar a nanocristalinidade do material aceitador comum feito de C ₆₀ moléculas (também conhecidas como fulerenos ou fulerenos) como a chave que permite que esse efeito de deslocalização ocorra.

Esta ordem cristalina local parece ser crítica para a geração eficiente de fotocorrentes em células solares orgânicas, diz Giebink. "Uma visão comum na comunidade é que é preciso muito excesso de energia para quebrar o exciton, o que significava que deveria haver uma grande diferença de nível de energia entre os materiais doadores e aceitadores. Mas essa grande compensação de energia reduz a voltagem da célula solar. Nosso trabalho dissipa essa compensação percebida à luz do impacto que a deslocalização da função de onda e a cristalinidade local têm no processo de separação de carga. Este resultado deve ajudar as pessoas a projetar novas moléculas e otimizar morfologias doadoras e aceitadoras que ajudam a aumentar a voltagem da célula solar sem sacrificar a corrente. "

A equipe usou várias técnicas espectroscópicas de luminescência e eletroabsorção, juntamente com difração de raios-X para chegar a sua conclusão. Seus resultados, detalhado no artigo intitulado "Delocalização e triagem dielétrica de estados de transferência de carga em células fotovoltaicas orgânicas, "proporcionará a outros grupos uma melhor compreensão da separação de cargas à medida que projetam e modelam células solares orgânicas mais eficientes.