En un avance que podría empujar la energía solar barata, ubicua más cercana a la realidad, los investigadores de la Universidad de Michigan han encontrado una manera de coaxial electrones para viajar mucho más lejos que fue pensado previamente posible en los materiales usados a menudo para las células solares orgánicas y otros semiconductores orgánicos.
«Durante años, la gente había tratado a la pobre conductividad de los orgánicos como un hecho ineludible, y esto demuestra que ese no es siempre el caso», dijo Stephen Forrest, el profesor distinguido de ingeniería de la Universidad Peter a. Franken y el profesor Paul G. Goebel de Ingeniería en la U–M, que dirigió la investigación.
Desemejante de las células solares inorgánicas ampliamente utilizadas hoy, los orgánicos se pueden hacer de los materiales carbón-basados baratos, flexibles como el plástico. Los fabricantes podrían batir hacia fuera los rodillos de ellos en una variedad de colores y de configuraciones, para ser laminado discretamente en casi cualquier superficie.
Sin embargo, la conductividad notoriamente deficiente de los productos orgánicos ha ralentizado la investigación. Forrest cree que este descubrimiento podría cambiar el juego. Los hallazgos se detallan en un estudio publicado el 17 de enero en la naturaleza.
El equipo demostró que una delgada capa de moléculas de Fullereno–las curiosas moléculas de carbono redondas también llamadas buckyballs–pueden permitir a los electrones viajar hasta varios centímetros desde el punto en el que son golpeados por un fotón. Eso es un aumento dramático; en las células orgánicas de hoy, los electrones pueden viajar sólo unos pocos cientos de nanómetros o menos.
Los electrones, que se mueven de un átomo a otro, componen la corriente eléctrica en una célula solar o un componente electrónico. Los materiales como el silicio, usados en las células solares inorgánicas de hoy y otros semiconductores, tienen redes atómicas firmemente atadas que hacen fácil para que los electrones viajen a través del material.
Pero los materiales orgánicos tienen lazos mucho más flojos entre las moléculas individuales, que pueden atrapar electrones. Esto ha sido durante mucho tiempo un talón de Aquiles de los orgánicos, pero el nuevo descubrimiento muestra que puede ser posible ajustar sus propiedades conductoras para aplicaciones específicas.
La capacidad de hacer que los electrones se muevan más libremente en semiconductores orgánicos podría tener implicaciones de largo alcance. Por ejemplo, la superficie de las células solares orgánicas de hoy debe ser cubierta con un electrodo conductor que recoge electrones en el punto donde se generan inicialmente. Pero los electrones libremente móviles se pueden recoger lejos lejos de su punto de la originación. Esto podría permitir a los fabricantes encoger el electrodo conductor en una rejilla invisible, allanando el camino para las células transparentes que podrían ser utilizadas en ventanas y otras superficies.
«Este descubrimiento esencialmente nos da una nueva perilla para dar vuelta mientras que diseñamos las células solares orgánicas y otros dispositivos orgánicos del semiconductor,» dijo Quinn Burlingame, investigador y autor del graduado de la ingeniería eléctrica y de la informática de los U-M en el estudio. «la posibilidad de un transporte de electrones de largo alcance abre una gran cantidad de nuevas posibilidades en la arquitectura de dispositivos«.
Burlingame dice que el descubrimiento inicial del fenómeno vino como algo de un accidente, ya que el equipo estaba experimentando con la arquitectura de células solares orgánicas con la esperanza de impulsar la eficiencia. Usando una técnica común llamada evaporación termal del vacío, acodaron en una película delgada de C60 fullerenos–cada uno hecho de 60 átomos de carbón–encima de una célula orgánica energía-produciendo la capa, donde los fotones de la luz del sol golpean los electrones flojos de su asociado moléculas. Encima del fullerenos, ponen otra capa para evitar que los electrones escapen.
Descubrieron algo que nunca habían visto en un orgánico–los electrones eran frenesí sin trabas a través del material, incluso fuera del área de generación de energía de la célula. A través de meses de experimentación, determinaron que la capa Fullereno formaba lo que se conoce como un pozo de energía–un área de baja energía que impide que los electrones cargados negativamente se recombinen con las cargas positivas dejadas atrás en la producción de energía capa.
«usted puede imaginar una energía, así como una especie de cañón-los electrones caen en ella y no puede volver a salir», dijo Caleb Cobourn, un investigador graduado en el Departamento de física U-M y un autor en el estudio. «así que continúan a moverse libremente en la capa Fullereno en lugar de recombinarse en la capa de producción de energía, como lo harían normalmente. Es como una antena masiva que puede recoger una carga de electrones desde cualquier lugar del dispositivo «.
Forrest advierte que el uso generalizado del descubrimiento en aplicaciones como las células solares es teórica en este punto. Pero, él está entusiasmado por las implicaciones más grandes del descubrimiento para entender y explotar las propiedades de los semiconductores orgánicos.
«Creo que la omnipresente energía solar es la clave para alimentar a nuestro planeta en constante calentamiento y cada vez más concurrido, y eso significa poner células solares en objetos cotidianos como la construcción de fachadas y ventanas», dijo Forrest. «la tecnología como esta podría ayudarnos a producir energía de una manera que sea barata y casi invisible».
El estudio se titula «la difusión del electrón de la centímetro-escala en heteroestructuras orgánico fotoactivo.» La investigación fue apoyada por el Departamento de energía de los e.e.u.u. programa del tiro y por la oficina de la fuerza aérea de la investigación científica.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por University of Michigan.
