Mecanismo de celdas solares modernas

Las celdas solares “plásticas” modernas, es un tema amplio que abarca la ciencia de los materiales, la física y la química. Implementando lo que son las celdas solares orgánicas-inorgánicas, proporciona una descripción general de la investigación sobre dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) y muchos de los materiales utilizados en su construcción, como, las reglas de diseño para maximizar su eficiencia. Prácticamente todos los dispositivos OPV(un dispositivo que contiene un polímero orgánico conjugado), empleando la estrategia BHJ (bulk heterojunction) para optimizar el área de la interfaz de separación de carga en el volumen de la capa activa.

Celdas solares modernas híbridas orgánicas-inorgánicas

Los dispositivos fotovoltaicos como son las celdas modernas pueden existir de manera híbrida orgánica– inorgánica basados ​​en mezclas de polímeros semiconductores y nanocristales semiconductores coloidales (NC) representan una tecnología emergente capaz de combinar las ventajas de las dos clases de materiales:

• la alta absorbancia óptica de los polímeros conjugados y la alta conductancia
• Banda prohibida óptica sintonizable. y alta constante dieléctrica de nanocristales

Entre los muchos nanocristales semiconductores que se están investigando para aplicaciones fotovoltaicas han surgido como uno de los candidatos más prometedores, debido a su alta movilidad de electrones, amplia absorción y estabilidad . La estructura electrónica de los puntos cuánticos esféricos de PbS y PbSe se calcula con un formalismo de función de envolvente de cuatro bandas. En particular, el control sintético sobre el diámetro de PbS permite el ajuste preciso de la brecha de energía cuántica confinada , lo que permite la conversión de energía solar en el infrarrojo cercano (NIR). (2)

Además, la alta calidad de los NCs de PbS permite eficiencias de conversión de energía superiores al 4% con celdas solares de unión Schottky simples (uniones de semiconductores de metal). Si bien los dispositivos OPV híbridos son relativamente nuevos en comparación con las mezclas de polímero, están ganando terreno rápidamente. (1)

Los estrictos requisitos para la realización de mezclas híbridas eficientes han limitado el rendimiento del sistema PbS / polímero hasta ahora. Seleccionando un polímero de banda prohibida estrecha adecuado y realizando un intercambio de ligando posterior a la deposición, realizaron una heterounión de tipo II energéticamente favorable con una amplia respuesta espectral y una PCE del 2%. La optimización de los dispositivos, mediante la selección del tamaño de nanopartícula adecuado y la inserción de una capa intermedia de titanio (TiO2) antes de la deposición del cátodo, y sus colaboradores mostraron la importancia de la coincidencia de los niveles de energía entre el polímero y las nanopartículas, y la eficacia del tratamiento de intercambio de ligando posterior a la deposición. (1)

Usando una estructura de dispositivo más simple, realizaron celdas modernas de heterounión en masa eficientes con PbS NC y un polímero de banda estrecha, PDPPTPT (poly[{2,5-bis(2-hexyldecyl)-2,3,5,6-tetra- hydro-3,6-dioxopyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl}-alt-{[2,20 -(1,4-phe- nylene)bisthiophene]-5,50 -diyl}]). (1)

El uso de esta mezcla de heterounión masiva produjo una celda solar moderna híbrida simple y eficiente, como se muestra en la configuración esquemática del dispositivo en la figura anterior. Las mediciones ópticas realizadas en la mezcla indican que la combinación de las nanopartículas de PbS con este polímero de banda estrecha forma una heterounión de tipo II y se espera que proporcione un rendimiento eficiente fotovoltaico.

Fuentes:

[1] Modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling

[2] Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots