Aprovechar el poder del sol es vital para un futuro limpio y verde. Para ello, necesitamos dispositivos optoelectrónicos, como células solares, que puedan convertir eficientemente la luz en electricidad. Ahora, un equipo dirigido por la Universidad de Osaka ha descubierto una manera de mejorar aún más el rendimiento del dispositivo: controlando la forma en que se ensamblan las moléculas que absorben la luz.
Los dispositivos optoelectrónicos orgánicos, como las células solares orgánicas, se exploran cada vez más por sus ventajas inherentes, como la flexibilidad o el peso ligero. Su eficiencia depende de qué tan bien sus moléculas orgánicas absorbentes de luz convierten la energía luminosa en “portadores de carga libres”, que transportan corriente eléctrica. La energía necesaria para generar portadores de carga libres se denomina “energía de unión de excitones”.
Cuanto menor sea la energía de unión de los excitones, más fácil será generar portadores de carga libres y, por tanto, mejor será el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, todavía nos cuesta diseñar moléculas con baja energía de unión de excitones en estado sólido.
Tras una inspección más cercana, el equipo de investigación descubrió que la energía de unión de los excitones de los sólidos se ve afectada por la forma en que se empaquetan sus moléculas, lo que se conoce como agregación.
“Sintetizamos dos tipos de moléculas con forma de estrella, una con un núcleo flexible y otra con un núcleo rígido”, explica el autor principal, Hiroki Mori. “Las moléculas individuales se comportaron de manera similar cuando se dispersaron en una solución, pero de manera muy diferente cuando se apilaron juntas en películas delgadas y sólidas”.
La diferencia de comportamiento se debe a que las moléculas rígidas se agrupan bien como placas, mientras que las moléculas flexibles no. En otras palabras, cuando está en estado sólido, una molécula rígida tiene una energía de unión de excitones mucho menor que una molécula flexible. Para validar esto, el equipo creó una célula solar orgánica de un solo componente y un fotocatalizador utilizando cada molécula. Las células solares moleculares rígidas y los fotocatalizadores han demostrado un rendimiento impresionante, ya que su baja energía de unión de excitones conduce a una alta generación de portadores de carga libres.
“Nuestros hallazgos, de que la creación de moléculas que pueden reducir eficazmente la energía de unión del excitón, son realmente emocionantes”, dice el autor principal Yutaka Ie. “Esto podría brindarnos una nueva forma de diseñar dispositivos optoelectrónicos más eficientes”.
Los hallazgos del equipo muestran que las interacciones entre moléculas en un sólido son fundamentales para el rendimiento del dispositivo y que el diseño de moléculas para dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento debe ir más allá de las propiedades moleculares individuales. Este novedoso enfoque para reducir la energía de unión de los excitones puede sustentar los mecanismos impulsores y las arquitecturas de la próxima generación de dispositivos optoelectrónicos.
