Un mètode que accelera el processament i avaluació de materials per a plaques solars

S'ha desenvolupat un mètode per obtenir mostres de materials orgànics fotovoltaics i avaluar-los de forma 50 vegades més ràpida que els mètodes actuals. El treball, publicat a la revista Advanced Electronic Materials, s'ha realitzat en el marc del projecte ERC COG "FOREMAT" dirigit per Mariano Campoy-Quiles, investigador de l'ICMAB-CSIC.

 

Una de les 'plaques' con una familia de materials amb els gradients de gruix, composició o nanoestructura.Els materials orgànics, abundants i no tòxics, tenen un gran potencial per a les tecnologies d'energia neta de baix cost, les que transformen la llum o la calor residual en electricitat, és a dir, tecnologies fotovoltaiques i termoelèctriques.
 
L'eficiència dels materials depèn de propietats que tenen a veure amb la seva estructura, la solubilitat o el nombre d'enllaços de carboni, entre molts altres.

Cada compost està constituït normalment per una barreja de materials, i la proporció en què estan cada un dels ingredients, la forma com estan barrejats formant les làmines fotoactives ... tot són factors que hi influeixen.

Atès que hi ha milers de possibilitats per modificar aquestes variables, la llista de materials candidats és literalment infinita. Com saber quines variables i en quina mesura donaran els millors resultats?

"Mentre que la teoria ajuda a seleccionar candidats prometedors, l'eficiència final del material depèn de característiques difícils de predir, com la solubilitat, la miscibilitat dels components, la tendència a cristal·litzar...", diuen els científics. A la pràctica, això significa que per a una línia prometedora de materials, o un sistema, es necessita avaluar molts paràmetres i en diferents graus.

I abans de provar els materials, cal fabricar-los. "A escala de laboratori, per fabricar cèl•lules solars orgàniques es requereixen entre dies i hores (si es processa en paral•lel), i només uns minuts per a mesurar la seva eficiència", explica Mariano Campoy-Quiles, de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC (ICMAB-CSIC). Si es tracta d'avaluar tota una família de materials canviant cadascuna de les característiques d'interès, els temps es disparen.

Això explica dades com la següent: en els últims 10 anys, s'han provat fins a 5000 materials orgànics en cèl·lules solars del tipus BHJ, però només unes poques desenes d'aquests materials s'han estudiat i optimitzat en profunditat.

Combina mètodes de processament per obtenir films de materials fotovoltaics canviant progressivament paràmetres com el gruix, la composició i la nanoestructura

En el marc del projecte FOREMAT, dirigit per Mariano Campoy-Quiles, s'ha desenvolupat una plataforma que combina diversos mètodes de processament per obtenir films de materials fotovoltaics controlant paràmetres diferents, com el gruix, els ingredients que el componen i la nanoestructura.

Els paràmetres es van canviant de forma progressiva per obtenir el gradient de cada un ells. Dit de manera simple, el que s'obté és una espècie de placa en la què hi ha una família de materials en diferents mostres i amb diferents gruixos, o composició, o nanoestructura. Tots produïts en la mateixa operació però amb un paràmetre o dos que van canviant progressivament seguint una fórmula.

A la dreta, gràfic amb la correlació entre composició, gruix i eficiència.Després, les mostres són analitzades utilitzant fotocorrent i Raman per correlacionar un per un el rendiment del dispositiu amb la informació estructural. En el treball publicat, els científics han validat la solidesa de la tecnologia amb tres famílies de materials, obtenint eficiències properes al 4%, 6% i 10%, respectivament, i utilitzant menys de 100 mg de cada polímer en el procés.

Els resultats han despertat molt d'interès pels seus avantatges. El mètode és 50 vegades més ràpid i estalvia al voltant del 90% del material en comparació amb els protocols d'avaluació convencionals. Una d'aquestes mostres equival a més de 100 mostres de les convencionals. A més, el mètode permet processar i avaluar compostos de més de dos ingredients.
 
El mètode, que agilitzarà el desenvolupament de materials orgànics fotovoltaics, pot ser d'interès per a laboratoris i grups de recerca i desenvolupament de plaques solars o altres dispositius basats en capes fines, tant d'universitats com d'empreses.

No es coneixen límits fonamentals que suggereixin que no es poden sintetitzar materials orgànics fotovoltaics i termoelèctrics amb una eficiència extremadament alta, així que teòricament es podria arribar a aconseguir materials amb eficiències del 50% o més.

En els últims 10 anys, s'han provat fins a 5000 materials orgànics en cèl·lules solars BHJ, però sols unes poques desenes s'han optimitzat en profunditat.

Fins ara, les eficiències més altes trobades són el 17% en el cas de compostos orgànics i entorn del 25% en el cas de semiconductors inorgànics. Encara que en els segons s'ha aconseguit més eficiència, els mètodes de producció "són molt costosos energèticament. En canvi, els materials orgànics es processen sovint des dissolució i a baixes temperatures, el que els fa més sostenibles energèticament", afegeix Campoy-Quiles.

L'estudi ha estat finançat pel Ministeri d'Economia i Competitivitat d'Espanya a través del Programa "Sever Ochoa" per a Centres d'Excel·lència en R+D i pel projecte del Consell Europeu de Recerca (ERC) "Finding a needle in a Haystack: efficient identification of high performing organic energy materials (FOREMAT)".