Fig. 3: Ejemplos de materiales fotovoltaicos orgánicos 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 que absorbe la 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]
Toda la luz con energía mayor que la banda prohibida del material puede ser absorbida, aunque existe una compensación para reducir la banda prohibida ya que los fotones absorbidos con energías mayores que la banda prohibida emitirán térmicamente su exceso de energía, lo que resultará en voltajes más bajos. y eficiencias de conversión de energía. Cuando estos materiales absorben un fotón , se crea un estado excitado y se limita a una molécula o una región de una cadena polimérica. El estado excitado puede considerarse como un excitón , o un par electrón-hueco unido por acción electrostática .interacciones. En las células fotovoltaicas, los campos efectivos descomponen los excitones en pares de huecos de electrones libres. Los campos efectivos se establecen creando una heterounión entre dos materiales diferentes. En la energía fotovoltaica orgánica, los campos efectivos rompen los excitones al hacer que el electrón caiga de la banda de conducción del absorbedor a la banda de conducción de la molécula aceptora. Es necesario que el material aceptor tenga un borde de la banda de conducción más bajo que el del material absorbente. [12] [13] [14] [15]
| Fig. 4: Cadena polimérica con polarón en difusión rodeado de moléculas de fullereno |
Las celdas solares poliméricas generalmente consisten en una capa de bloqueo de electrones o huecos encima de un vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ITO), seguido de un donante de electrones y un aceptor de electrones (en el caso de las celdas solares de heterounión masiva), un hueco o un bloqueador de electrones. capa y electrodo de metalen la parte superior. La naturaleza y el orden de las capas de bloqueo, así como la naturaleza del electrodo de metal, depende de si la celda sigue una arquitectura de dispositivo regular o invertida. En una celda invertida, las cargas eléctricas salen del dispositivo en la dirección opuesta a la de un dispositivo normal porque los electrodos positivo y negativo están invertidos. Las celdas invertidas pueden utilizar cátodos de un material más adecuado; Las OPV invertidas disfrutan de una vida útil más larga que las OPV estructuradas regularmente y, por lo general, muestran eficiencias más altas en comparación con las contrapartes convencionales. [dieciséis]
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