Liderat pel CSIC i l'Imperial College London, el treball revela que els polímers amb estructura molecular sense curvatura són millors. Publicat a Nature Materials, és una troballa important per a l'obtenció de panells solars més efectius. Els materials resultants aconsegueixen passar del 4% o el 5% d'eficiència a l'8,5%.
El gran repte de l'energia solar és com aconseguir materials capaços d'absorbir més quantitat de llum i, amb això, capaços d'obtenir més energia. Fins a la data, gran part del treball de millora de les cèl·lules solars orgàniques es centra en el color dels materials: estendre la seva absorció cap al vermell o fins i tot l'infraroig (fins ara els materials només capten la banda de l’espectre corresponent al blau i el verd) de manera que aprofitin la major fracció de l'espectre solar possible.
Ara, una investigació codirigida per Mariano Campoy, de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC, i Jenny Nelson, de l'Imperial College de Londres, ha abordat el tema des d'una perspectiva diferent. "Hem intentat entendre què és el que fa que un material d'un color donat, absorbeixi més o menys llum més enllà de variar el gruix de la capa, o en altres paraules, què és el que controla la magnitud del coeficient d'absorció", explica Mariano Campoy. Els resultats, publicats a Nature Materials, són un pas important cap a l'obtenció de panells solars que permetin un major rendiment energètic.
En l'estudi també han participat científics de la Universitat de Xipre, de la University College London, i de la Universitat King Abdullah de Ciència i Tecnologia (Aràbia Saudita).
Estructura plana
Després d'analitzar nombrosos polímers semiconductors, els científics han descobert que hi ha polímers que absorbeixen fins a un 40 o un 50% més que els materials convencionals. L'anàlisi de l'estructura revela que el mecanisme que controla el color i la magnitud de l'absorció és la conformació de la cadena polimèrica: com sigui de plana aquesta cadena del polímer és el que determina el seu color. Dins d'aquest pla que conté la cadena polimèrica, la curvatura del polímer determina la magnitud de l'absorció: com més recte és l'eix de l'estructura molecular del polímer, major la seva capacitat d'absorbir la llum. Aquesta propietat és el que es coneix com la longitud de persistència (persistence length, en anglès), una propietat mecànica que determina la rigidesa del polímer. Per contra, com més gran curvatura té l'eix de l'estructura molecular, menor és la capacitat d'absorbir llum.
Un polímer és un material format per una unitat (monòmer) que es repeteix formant cadenes. Un exemple gràfic és imaginar cada monòmer com un foli: una cadena de folis totalment recta, tindria una estructura plana i una alta longitud de persistència. Si cada foli es torça lleugerament, dins d'aquest pla la fila de folis tindria una curvatura major, una menor longitud de persistència i menor capacitat per absorbir llum solar (veure gràfic).
Per verificar la troballa, els científics han sintetitzat nous polímers que complissin aquesta propietat i han demostrat que, efectivament, el que defineix l'absorció de llum és la longitud de persistència. Com més recta és l'estructura (i major la longitud de persistència), major la capacitat d'absorbir llum. Els materials resultants també tenen millors propietats electròniques i milloren el transport de càrrega. Ajuntant les dues millores, aconsegueixen passar del 4-5% d'eficiència al 8,5%.
La troballa permetria fabricar polímers que puguin absorbir més llum solar en menor espai i major llibertat en dissenyar les formes dels panells solars. I és que una de les solucions actuals per absorbir més energia, apunta Mariano Campoy, passa per fer plaques solars més gruixudes o més grans, a fi de tenir més material 'captador'. Però aquesta solució té les seves limitacions, ja que la conductivitat dels polímers és limitada (i com més gruixuda és la placa, major recorregut han de realitzar els electrons donant lloc a pèrdues de corrent).
Mariano Campoy Quiles (Santiago de Compostela), és investigador del Grup de materials nanoestructurats de l'Institut de Ciències de Materials de Barcelona (ICMAB) del CSIC. Treballa en la identificació ultraràpida de materials orgànics prometedors per al sector energètic (panells solars i dispositius termoelèctrics). Actualment, la posada a punt d'aquests materials és molt costosa, i s'ha convertit en el coll d'ampolla que està limitant el desenvolupament d'aquestes tecnologies.
Article de referència:
Exploring the origin of high optical absorption in conjugated polymers. Michelle S. Vezie, Sheridan Few, Iain Meager, Galatia Pieridou, Bernhard Dörling, R. Shahid Ashraf, Alejandro R. Goñi, Hugo Bronstein, Iain McCulloch, Sophia C. Hayes, Mariano Campoy-Quiles and Jenny Nelson. Nature Materials doi:10.1038/nmat4645