Optoelectrónica orgánica:
celdas solares


Por
Augusto A. Iribarren Alfonso*

De la ciencia ficción
a la tecnología cotidiana.

Las celdas solares orgánicas, como fuentes alternativas de energía, estarán mucho más cerca del usuario y garantizarán, de manera continua, la energía que necesitamos para lo que llevamos encima.
 

Orgánicos y celdas solares
La base del funcionamiento de cualquier dispositivo fotovoltaico, o celda solar, es la conversión de la luz solar en electricidad, que se almacena en baterías o se utiliza directamente. Actualmente las principales celdas solares están basadas en semiconductores inorgánicos y las más generalizadas son las de silicio (Si), en las que
se han logrado relativamente altas eficiencias, aunque los costos son bastante altos. Otros dispositivos fotovoltaicos existentes son mucho más caros o menos eficientes.

El 95% de las celdas solares actuales son de Si, pero la tecnología es muy cara y demanda instalaciones con requerimientos que están al alcance de pocos países, por lo que el precio de la electricidad producida por las celdas solares de Si es demasiado alto (diez veces, aproximadamente) en comparación con la producida en las modernas y eficientes centrales termoeléctricas. Así que probablemente seguiremos quemando fósiles durante un buen tiempo y también seguiremos usando las celdas solares de Si.

Aunque las celdas fotovoltaicas de Si podrán ser más baratas, partes de su tecnología continuarán siendo caras y sus precios tendrían límites mínimos aún poco económicos. Así que es necesario encontrar otra manera más barata de producir celdas solares.
Entre los principales candidatos perspectivos para ser usados en estas nuevas celdas solares están los semicon-ductores orgánicos.

Desde el punto de vista electrónico, cuando un material absorbe luz, los electrones (e—) se excitan, o sea, pasan a un nivel de energía superior. De esa manera la posición energética inicial del electrón queda vacía y así surge un hueco (h+). Como los electrones tienen carga negativa, los huecos quedarán cargados positivamente y se mantiene la neutralidad eléctrica. En un semiconductor inorgánico esas cargas quedan libres y pueden moverse fácilmente en el material, sin embargo, en los orgánicos ellas quedan fuertemente enlazadas entre sí formando un par electrón-hueco, denominado excitón, que es una especie móvil, eléctricamente neutra y relativamente insensible a campos eléctricos, aunque en el transcurso del tiempo el excitón puede disociarse y el electrón y el hueco que lo forman recombinarse y reemitir luz (fotones).

En una celda solar es necesario que al disociarse el excitón esas cargas eléctricas sean separadas, evitando con ello que se recombinen. El ancho de banda electrónico estrecho de los semiconductores orgánicos conduce a algunas desventajas en su uso en celdas solares, pues su absorción del flujo solar es reducido a sólo algunas longitudes de onda. No obstante, la absorción es muy alta en las longitudes de onda en que lo hace, lo que permite el uso de capas muy delgadas con alta absorción. Como los semiconductores orgánicos no forman una red tridimensional, las cargas, electrones y huecos se mueven por un mecanismo de saltos que induce a que su movilidad sea baja, lo que constituye otra limitante a la eficiencia de estas celdas. No obstante, tal movilidad puede mejorar
a altas temperaturas, pues los saltos son un proceso térmicamente activado.

La energía solar que debe absorber una celda solar incluye, principalmente, toda la región de luz visible, o sea, del violeta al rojo (de 400 nm a 700 nm
1, aproximadamente), que es la de mayor radiación†2, y una buena parte de la región infrarroja (longitudes de onda superiores a los 700 nm, que ya son invisibles al ojo humano). En la región ultravioleta (UV) hay muy poca radiación solar aprovechable (Fig. 1).


Fig. 1. Espectro de intensidad de la luz solar
en la superficie de la Tierra.

(Notas: 1 1 nm = 10-9 m, o sea, una mil millonésima de metro. 2 † Eso explica por qué el ser humano y muchos otros animales al haber evolucionado bajo la influencia directa de la luz solar ven casi exclusivamente la luz visible).

¿Cómo funcionan las celdas solares orgánicas?
La celda solar orgánica (CSO) más simple es un semiconductor orgánico que actúa como capa activa entre dos electrodos metálicos, un ánodo y un cátodo, con diferentes funciones de trabajo (energía para sacar un electrón de un material).

Uno de los electrodos, el ánodo, que habitualmente es un TCO (óxido conductor transparente, por sus siglas en inglés), y el sustrato, habitualmente de vidrio, aunque también puede ser otro material orgánico resistente, que actúa como soporte y protección del dispositivo, y que deben ser transparentes para permitir la entrada de la luz solar hasta la capa activa. Sin embargo, esta disposición o heteroestructura no es todavía suficientemente eficiente debido a que no se logra una adecuada disociación de los excitones (Fig. 2).


Fig. 2. Procesos básicos en una celda solar orgánica:
(1) excitación y formación del excitón, (2) difusión
y disociación del excitón y (3) colección de las cargas.

Los procesos básicos que tienen lugar en las celdas solares orgánicas pueden describirse en cinco pasos: excitación, formación del excitón, difusión del excitón, disociación del excitón y colección de cargas. Por la disposición del material orgánico entre los dos electrodos se forma un escalonamiento de las bandas de energía. Estos escalones energéticos son los que estimulan la disociación de los excitones y después separan las cargas que los componen.

Si el excitón, después de formarse, demora en disociarse por tener que moverse hasta las fronteras o uniones con los electrodos u otros materiales, las cargas se recombinan y disminuye la eficiencia de la celda. Para reducir esa recombinación, y además aumentar la absorción de la luz, se han creado estructuras con dos o más capas finas de semiconductores orgánicos, con mejores resultados. En este caso las diversas capas pueden incrementar la absorción por la presencia de varios orgánicos y distribuyen el escalonamiento energético de ellas, para mejorar la disociación de los excitones y la extracción de las cargas. Esas capas se denominan p o donoras (D) y n o aceptoras (A) de electrones, según su función (Fig. 3).


Fig. 3. CSO multicapa.

Sin embargo, aún esto suele ser insuficiente para lograr mayores eficiencias, debido a que las distancias a recorrer por los excitones siguen siendo relativamente largas y hay muchas recombinaciones. De ahí que se introdujeron las heterojunturas volumétricas, en las cuales se logra una capa activa formada por una interconexión a escala nanométrica de dos materiales. Estas heterojunturas pueden ser ordenadas o dispersas. En las primeras, uno de los materiales se obtiene en forma de nanoestructuras ordenadas, frecuentemente de un semiconductor inorgánico, que actúan como aceptores de electrones, entre las que se introduce el semiconductor orgánico, que es el donor de electrones. En las segundas, se establece una mezcla dispersa de dos semicon-ductores orgánicos, o uno orgánico y uno inorgánico nanoestructurado. Cuando coexisten semiconductores orgánicos e inorgánicos, las celdas solares se denominan híbridas
(Fig. 4).


Fig. 4. CSO de heterojuntura volumétrica dispersa.

Por las características de estos materiales, las CSOs también se espera que sean producidas a escala industrial, al menos en parte, por la técnica de Inkjet Printing (impresión por chorro de tinta).

Estado actual de las CSOs
Las celdas solares orgánicas más eficientes hasta ahora obtenidas (2009), son heteroestructuras volumétricas dispersas, en las que su capa activa es una mezcla de un semiconductor orgánico complejo llamado PCDTB, como donor de electrones, y otro denominado PC70BM, que es el aceptor, en el que se ha logrado alrededor de 6% de eficiencia. Aunque esta eficiencia está muy lejana de las obtenidas en celdas solares de Si, que han alcanzado 10-12% en paneles solares, constituye un gran paso de avance hacia el logro de un compromiso favorable costo-eficiencia.

Aunque no se vislumbra que pronto las CSOs puedan sustituir a las celdas solares inorgánicas, sus usos, aunque limitados, ya se aprecian en aplicaciones específicas.
Su poco peso y flexibilidad les permite ser empleadas sobre las propias prendas de vestir y hasta sobre una sombrilla, para recargar baterías de equipos portátiles como teléfonos celulares, MP3s e iPods, entre otros.

Por las características de los orgánicos, se prevé que puedan ser combinadas en pinturas de autos para convertir su superficie en un panel solar que recargaría su batería, y en pinturas de fachadas o recubrimientos de techos con el mismo fin. Sólo sería necesaria la exposición a la luz solar, la que en Cuba tenemos en grandes cantidades.

* Doctor en Ciencias Físicas. Laboratorio de Investigaciones en Electrónica del Estado Sólido (LIEES), Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Universidad de La Habana, Cuba.
Tel.: (537) 8781004.
e-mail: augusto@fisica.uh.cu