Un equipo investigador de la Universitat Rovira i Virgili y del Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) investiga las celdas solares orgánicas para entender su mecanismo de degradación y encontrar estrategias para una mayor durabilidad y, así, aumentar la viabilidad comercial en una producción a gran escala

Cargar el teléfono, mirar la televisión, ir al trabajo en coche o autobús, lavar la ropa o calentar comida en un microondas. Para todas estas actividades se necesita energía. En física, la energía de un cuerpo es la capacidad de realizar un trabajo. Esta energía puede existir de forma potencial, cinética, térmica, eléctrica, química, nuclear, entre otras formas. Cuando cargamos nuestro teléfono, por ejemplo, necesitamos energía eléctrica, que habitualmente se genera mediante turbinas de vapor que utilizan combustibles fósiles (carbón, gas natural o petróleo) o energía nuclear. Debido a la cantidad limitada de combustibles fósiles y sus efectos negativos sobre el clima, el medio ambiente y la salud, así como los peligros inherentes al almacenamiento de materiales nucleares, la energía procedente de fuentes naturales renovables y sostenibles como el eólica, la solar o la hidráulica gana popularidad. Entre estos recursos naturales, la energía del sol se caracteriza por ser ilimitada y no verse afectada por el cambio climático. Una posible forma de convertir la irradiación solar en electricidad es con el uso del dispositivo llamado «celda solar».

Un equipo investigador formado por miembros del grupo de investigación Sistemas Nanoelectrónicos y Fotónicos (NePhoS) del Departament de Enginyeria Eléctrica, Electrónica y Automàtica de la URV y del grupo del investigador Emilio Palomares en el Institut Català d’Investigació Química están trabajando desde hace años en el estudio de las celdas solares. En su último trabajo dan un paso más hacia la sostenibilidad utilizando materiales semiconductores orgánicos como el polímero plástico o moléculas pequeñas como capa activa para convertir la irradiación solar en electricidad. Han bautizado este nuevo dispositivo como «celda solar orgánica».

En los últimos años, la tecnología de las celdas solares orgánicas ha alcanzado un hito importante hacia la comercialización al superar el 10 % de la eficiencia (el parámetro que calcula la parte de la irradiación solar que puede convertirse en electricidad por efecto fotovoltaico) y ahora se acerca ya al 20 % de eficiencia. No es sólo debido a este objetivo que la celda solar orgánica ha captado una gran atención entre las comunidades científicas e industriales. Este dispositivo tiene otras propiedades potenciales que lo hacen muy atractivo, como su semitransparencia, flexibilidad, ligereza, bajo coste, respeto hacia el medio ambiente o la escalabilidad para la fabricación. Sin embargo, estas interesantes propiedades no son los únicos requisitos para que la celda solar orgánica dé el salto del laboratorio al mercado.

El objetivo principal de los investigadores es hacer que este dispositivo sea más duradero y que aumente su vida útil, de modo que pueda fabricarse en una producción a gran escala. A tal fin, el equipo de investigación ha realizado un estudio de estabilidad de celdas solares orgánicas de acuerdo con el protocolo de estabilidad ISOS para entender su mecanismo de degradación. Su objetivo final es encontrar estrategias para alargar la vida útil de esta tecnología, especialmente en el almacenamiento. Los autores le han llamado «vida útil propia».

Dado que el mecanismo de degradación de la celda solar orgánica es altamente complejo, una caracterización eléctrica sencilla, utilizando principalmente medidas de densidad y tensión de corriente, no es suficiente para proporcionar información sólida para entender el proceso de degradación de la celda. Este estudio representa una novedad en su campo, puesto que los autores han combinado por primera vez dos potentes técnicas de espectroscopia de impedancia y medida de fotovoltaje-fotocorriente transitoria para estudiar la degradación de la vida útil. Además, han aplicado el protocolo ISOS-D1 en las celdas solares orgánicas bajo distintos entornos para cuantificar el tiempo de vida, estabilidad e identificar los mecanismos de degradación predominantes en el mismo. También han realizado una estrategia invertida y han comparado tres capas de transporte de electrones distintos para saber cuál es la mejor estrategia para mejorar la vida útil de las celdas solares orgánicas. Los principales hallazgos de su trabajo sugieren que la principal causa de degradación de las células solares orgánicas son la generación de trampas de oscuridad en la interfaz y la exposición al aire.

Este estudio, recientemente publicado en la revista Sustainable Energy Fuels, ha recibido financiación del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco de las acciones Marie Skłodowska-Curie y de la URV. La tesis doctoral de Alfonsina Abat Amelenan Torimtubun está en línea con este estudio. Ella es una de los 45 investigadores contratados por el programa Martí i Franquès COFUND de la URV. Además, este trabajo cuenta con el apoyo del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, a través de Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris y d’Investigació de Catalunya, la Diputació de Tarragona y la Institució Catalana d’Investigació i Estudis Avançats.

Referencia: 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.