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Un método que acelera el procesamiento y evaluación de materiales para placas solares

Se ha desarrollado un método para obtener muestras de materiales orgánicos fotovoltaicos y evaluarlos de forma 50 veces más rápida que los métodos actuales. El trabajo, publicado en la revista Advanced Electronic Materials, se ha realizado en el marco del proyecto ERC CoG “FOREMAT” dirigido por Mariano Campoy-Quiles, investigador del ICMAB-CSIC.  

 

Una de las 'placas' con una familia de materiales con los gradientes de espesor, composición o nanoestructura.Los materiales orgánicos, abundantes y no tóxicos, tienen un gran potencial para las tecnologías de energía limpia de bajo coste, las que transforman la luz o el calor residual en electricidad, es decir, tecnologías fotovoltaicas y termoeléctricas.
 
La eficiencia de los materiales depende de propiedades que tienen que ver con su estructura, la solubilidad o el número de enlaces de carbono, entre muchos otros.

Cada compuesto está constituido normalmente por una mezcla de materiales, y la proporción en las que están cada uno de los ingredientes, la forma como están mezclados formando las láminas fotoactivas… todo son factores que influyen.

Dado que hay miles de posibilidades para modificar esas variables, la lista de materiales candidatos es literalmente infinita. ¿Cómo saber qué variables y en qué medida darán los mejores resultados?

“Mientras que la teoría ayuda a seleccionar candidatos prometedores, la eficiencia final del material depende de características difíciles de predecir, como la solubilidad, la miscibilidad de los componentes, la tendencia a cristalizar… “, dicen los científicos. En la práctica, eso significa que para una línea prometedora de materiales, o un sistema, se necesita evaluar muchos parámetros y en diferentes grados.

Y antes de probar los materiales, hay que fabricarlos. “A escala de laboratorio, la fabricación de células solares orgánicas toma entre días y horas (si se procesa en paralelo), y sólo unos minutos en medir su eficiencia”, explica Mariano Campoy-Quiles, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC. Si se trata de evaluar toda una familia de materiales, cambiando cada una de las características de interés, los tiempos se disparan.

Eso explica datos como el siguiente: en los últimos 10 años, se han probado hasta 5000 materiales orgánicos en células solares del tipo BHJ, pero sólo unas pocas decenas de esos materiales se han estudiado y optimizado en profundidad.

Combina métodos de procesamiento para obtener films de materiales fotovoltaicos cambiando progresivamente parámetros como el grosor, los ingredientes y la nanoestructura

En el marco del proyecto FOREMAT, dirigido por Mariano Campoy-Quiles, se ha desarrollado una plataforma que combina varios métodos de procesamiento para obtener films de materiales fotovoltaicos controlando parámetros diferentes, como el grosor, los ingredientes que lo componen y la nanoestructura.  

Los parámetros se van cambiando de forma progresiva para obtener el gradiente de cada uno ellos. Dicho de forma simple, lo que obtiene es una especie de ‘placa’ en la que está una familia de materiales en diferentes muestras y con diferentes espesores, o composición, o nanoestructura. Todos  producidos en la misma operación pero con un parámetro o dos que van cambiando progresivamente siguiendo una fórmula.

 A la derecha, gráfico que correlaciona composición, el grosor de las muestras y eficiencia. Después, las muestras son analizadas por imágenes de fotocorriente y Raman para correlacionar uno a uno el rendimiento del dispositivo con la información estructural. En el trabajo publicado, los científicos han validado la solidez de la tecnología con tres familias de materiales, obteniendo eficiencias cercanas al 4%, 6% y 10%, respectivamente, y utilizando menos de 100 mg de cada polímero en el proceso.

Los resultados han despertado mucho interés por sus ventajas. El método es 50 veces más rápido y ahorra alrededor del 90 % del material en comparación con los protocolos de evaluación convencionales. Una de estas muestras equivale a más de 100 muestras de las convencionales. Además, el método permite procesar y evaluar compuestos de más de dos ingredientes.
 
El método, que agilizará el desarrollo de materiales orgánicos fotovoltaicos, puede ser de interés para laboratorios y grupos de investigación y desarrollo de placas solares u otros dispositivos basados en capas finas, tanto de universidades como de empresas.

No se conocen límites fundamentales que sugieran que no se pueden sintetizar materiales orgánicos fotovoltaicos y termoeléctricos con una eficiencia extremadamente alta, así que teóricamente se podría llegar a conseguir materiales con eficiencias del 50% o más. .

En los últimos 10 años, se han probado hasta 5000 materiales orgánicos en células solares BHJ, pero sólo unas pocas decenas se han estudiado en profundidad

Hasta la fecha, las eficiencias más altas halladas son del 17% en el caso de compuestos orgánicos y en torno al 25% en el caso de semiconductores inorgánicos. Aunque en los segundos se ha conseguido mayor eficiencia, los métodos de producción “son muy costosos energéticamente. En cambio, los materiales orgánicos se procesan a menudo desde disolución y a bajas temperaturas, lo que los hace más sostenibles energéticamente”, añade Campoy-Quiles.

El estudio ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del Programa “Severo Ochoa” para Centros de Excelencia en I+D y por el proyecto del Consejo Europeo de Investigación (ERC) "Finding a needle in a haystack: efficient identification of high performing organic energy materials (FOREMAT)".

 

 

Se ha desarrollado un método para obtener muestras de materiales orgánicos fotovoltaicos y evaluarlos de forma 50 veces más rápida que los métodos actuales. El trabajo, publicado en la revista Advanced Electronic Materials, se ha realizado en el marco del proyecto ERC CoG “FOREMAT” dirigido por Mariano Campoy-Quiles, investigador del ICMAB-CSIC.