Una celda solar orgánica ( OSC [1] ) o celda solar de plástico es un tipo de fotovoltaica que utiliza electrónica orgánica , una rama de la electrónica que trata con polímeros orgánicos conductores o pequeñas moléculas orgánicas, [2] para la absorción de luz y el transporte de carga para producir electricidad de la luz solar por el efecto fotovoltaico . La mayoría de las células fotovoltaicas orgánicas son células solares poliméricas .
Las moléculas utilizadas en las células solares orgánicas son procesables en solución con un alto rendimiento y son económicas, lo que genera bajos costos de producción para fabricar un gran volumen. [3] En combinación con la flexibilidad de las moléculas orgánicas , las células solares orgánicas son potencialmente rentables para aplicaciones fotovoltaicas. [4] La ingeniería molecular ( p. ej., cambiar la longitud y el grupo funcional de los polímeros ) puede cambiar la brecha de banda , lo que permite la sintonización electrónica. El coeficiente de absorción ópticade moléculas orgánicas es alto, por lo que se puede absorber una gran cantidad de luz con una pequeña cantidad de materiales, generalmente del orden de cientos de nanómetros. Las principales desventajas asociadas con las células fotovoltaicas orgánicas son la baja eficiencia , la baja estabilidad y la baja resistencia en comparación con las células fotovoltaicas inorgánicas, como las células solares de silicio .
En comparación con los dispositivos basados en silicio , las células solares poliméricas son livianas (lo cual es importante para los sensores autónomos pequeños), potencialmente desechables y económicas de fabricar (a veces usando electrónica impresa ), flexibles, personalizables a nivel molecular y potencialmente tienen un impacto ambiental menos adverso. Las celdas solares de polímero también tienen el potencial de exhibir transparencia, lo que sugiere aplicaciones en ventanas, paredes, electrónica flexible, etc. En la Fig. 1 se muestra un dispositivo de ejemplo. Las desventajas de las celdas solares de polímero también son serias: ofrecen alrededor de 1/3 de la eficiencia de los materiales duros y experimentan una degradación fotoquímica sustancial. [5]
Los problemas de estabilidad de las células solares poliméricas [6] , combinados con su promesa de bajos costos [7] y potencial para aumentar la eficiencia [8], las han convertido en un campo popular en la investigación de células solares. En 2015, las células solares de polímeros lograron eficiencias de más del 10 % a través de una estructura en tándem. [9] En 2023, la Universidad Politécnica de Hong Kong logró un nuevo récord de eficiencia del 19,3 % . [10]
Una celda fotovoltaica es un diodo semiconductor especializado que convierte la luz en electricidad de corriente continua (CC). Dependiendo de la brecha de banda del material absorbente de luz, las células fotovoltaicas también pueden convertir fotones infrarrojos (IR) de baja energía o ultravioleta (UV) de alta energía en electricidad de CC. Una característica común tanto de las moléculas pequeñas como de los polímeros (Fig. 3) utilizados como material absorbente de luz en la energía fotovoltaica es que todos tienen grandes sistemas conjugados . Se forma un sistema conjugado donde los átomos de carbono se unen covalentementeenlace con enlaces simples y dobles alternantes. Los orbitales pz de los electrones de estos hidrocarburos se deslocalizan y forman un orbital π enlazante deslocalizado con un orbital antienlazante π* . El orbital π deslocalizado es el orbital molecular ocupado más alto ( HOMO ), y el orbital π* es el orbital molecular desocupado más bajo ( LUMO ). En la física de semiconductores orgánicos, el HOMO asume el papel de la banda de valencia mientras que el LUMO sirve como la banda de conducción . La separación de energía entre los niveles de energía HOMO y LUMO se considera la brecha de banda de los materiales electrónicos orgánicos y normalmente está en el rango de 1 a 4 eV . [11]