Un equip investigador de la Universitat Rovira i Virgili i de l'Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) investiga les cèl·lules solars orgàniques per entendre’n el mecanisme de degradació i trobar estratègies perquè durin més i augmentar-ne la viabilitat comercial en una producció a gran escala

Carregar el telèfon, mirar la televisió, anar a la feina en cotxe o autobús, rentar la roba o escalfar menjar en un microones. Per a totes aquestes activitats es necessita energia. En física, l’energia d’un cos és la capacitat de realitzar un treball. Aquesta energia pot existir de forma potencial, cinètica, tèrmica, elèctrica, química o nuclear, entre d’altres formes. Quan carreguem el telèfon, per exemple, necessitem energia elèctrica, que habitualment es genera mitjançant turbines de vapor que utilitzen combustibles fòssils (carbó, gas natural o petroli) o energia nuclear. A causa de la quantitat limitada de combustibles fòssils i els efectes negatius sobre el clima, el medi ambient i la salut, a més dels perills inherents a l’emmagatzematge de materials nuclears, l’energia procedent de fonts naturals renovables i sostenibles com l’eòlica, la solar o la hidràulica guanya popularitat. Entre aquests recursos naturals, l’energia del sol es caracteritza perquè ésser il·limitada i no es veu afectada pel canvi climàtic. Així, doncs, possible manera de convertir la irradiació solar en electricitat és amb l’ús del dispositiu anomenat cèl·lula solar.

Un equip investigador format per membres del grup de recerca Sistemes Nanoelectrònics i Fotònics (NePhoS) del Departament d’Enginyeria Elèctrica, Electrònica i Automàtica de la URV i del grup de l’investigador Emilio Palomares de l’Institut Català d’Investigació Química, treballen de fa anys en l’estudi de les cèl·lules solars. En el darrer treball fan un pas més cap a la sostenibilitat utilitzant materials semiconductors orgànics com el polímer plàstic o molècules petites com a capa activa per convertir la irradiació solar en electricitat. Han batejat aquest nou dispositiu com a cèl·lula solar orgànica.

En els darrers anys, la tecnologia de les cèl·lules solars orgàniques ha assolit una fita important cap a la comercialització, perquè ha superat el 10% de l’eficiència (el paràmetre que calcula la part de la irradiació solar que es pot convertir en electricitat per efecte fotovoltaic) i ara s’acosta ja al 20%. No és només a causa d’aquesta fita que la cèl·lula solar orgànica ha captat una gran atenció entre les comunitats científiques i industrials. Aquest dispositiu té altres propietats potencials que el fan molt atractiu, com ara la semitransparència, la flexibilitat, la lleugeresa, el baix cost i el respecte al medi ambient o l’escalabilitat per a la fabricació. Però, aquestes propietats tan interessants no són els únics requisits perquè la cèl·lula solar orgànica faci el salt del laboratori al mercat.

L’objectiu principal dels investigadors és fer que aquest dispositiu sigui més durador i augmenti la vida útil, de manera que es pugui fabricar en una producció a gran escala. Amb aquesta finalitat, l’equip d’investigació ha fet un estudi d’estabilitat de cèl·lules solars orgàniques d’acord amb el protocol d’estabilitat ISOS per entendre’n el mecanisme de degradació. L’objectiu final és trobar estratègies per allargar la vida útil d’aquesta tecnologia, especialment en l’emmagatzematge. Els autors l’han anomenat “vida útil pròpia”.

Atès que el mecanisme de degradació de la cèl·lula solar orgànica és altament complex, una caracterització elèctrica senzilla, utilitzant sobretot mesures de densitat i tensió de corrent, no és suficient per proporcionar informació sòlida per entendre procés de degradació de la cèl·lula. Aquest estudi representa una novetat en el seu camp, ja que els autors han combinat per primera vegada dues potents tècniques d’espectroscòpia d’impedància i mesura de fotovoltatge-fotocorrent transitòria per estudiar la degradació de la vida útil. A més, han aplicat el protocol ISOS-D1 a les cèl·lules solars orgàniques sota diferents entorns per quantificar el temps de vida, l’estabilitat i identificar-ne els mecanismes de degradació predominants. També han aplicat una estratègia invertida i han comparat tres capes de transport d’electrons diferents per saber quina és la millor estratègia per incrementar la vida útil de les cèl·lules solars orgàniques. Les troballes més importants de la recerca suggereixen que la principal causa de degradació de les cèl·lules solars orgàniques són la generació de trampes de foscor a la interfície i l’exposició a l’aire.

Aquest estudi, recentment publicat a la revista Sustainable Energy Fuels, ha rebut finançament del programa Horitzó 2020 de la Unió Europea en el marc de les accions Marie Skłodowska-Curie i de la URV. La tesi doctoral de l’Alfonsina Abat Amelenan Torimtubun està en línia amb aquest estudi. És una dels 45 investigadors contractats pel programa Martí i Franquès COFUND de la URV. A més, aquest treball ha rebut el suport del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, a través de Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca de Catalunya, la Diputació de Tarragona i la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats.

 Referència: Alfonsina Abat Amelenan Torimtubun, Maria Méndez, José G. Sánchez, Josep Pallarès, Emilio Palomares and Lluis F. Marsal. Shelf lifetime analysis of organic solar cells combining frequency and time resolved techniques. Sustainable Energy Fuels, 2021, 5, 6498-6508. DOI: https://doi.org/10.1039/D1SE01107C.