Fraunhofer ISE, junto con el Centro de Investigación de Materiales de Freiburg FMF de la Universidad de Friburgo, ha registrado un récord del 14,9% para las células solares orgánicas con un área de al menos 1 cm2, un paso importante en el desarrollo de esta tecnología rentable hacia una amplia madurez de aplicaciones.
El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE ha estado trabajando en células y módulos solares orgánicos en estrecha cooperación con el Centro de Investigación de Materiales FMF de la Universidad de Friburgo durante muchos años. El objetivo es seguir desarrollando esta tecnología junto con socios de la industria y hacerla disponible a bajo costo. Por lo tanto, uno de los objetivos de la investigación es el uso de materiales económicos y respetuosos con el medio ambiente y el desarrollo de dichos procesos de ampliación mediante procesos de rollo a rollo para luego producir módulos solares como películas.
Debido a sus propiedades específicas, la energía fotovoltaica orgánica puede abrir numerosos campos de aplicación nuevos. Las células solares orgánicas se pueden producir sin el uso de metales pesados y otros elementos críticos, son livianas, mecánicamente flexibles, se pueden integrar muy bien y tienen un aspecto homogéneo incluso si son semitransparentes.
Al seleccionar semiconductores orgánicos que solo absorben luz infrarroja, se pueden desarrollar células solares transparentes para ventanas y películas de protección agrícola o vidrio de invernadero que pueden combinar varios beneficios como la protección contra tormentas y el sobrecalentamiento con la generación de electricidad relevante.
La tecnología puede contribuir tanto a la prevención como a la adaptación al cambio climático al refinanciar costosos sistemas de protección en la agricultura a través del rendimiento eléctrico. Sin embargo, todavía quedan algunos pasos de desarrollo importantes que deben completarse con éxito antes de que el producto esté listo para su uso.
A diferencia de las células solares inorgánicas, como las hechas de silicio cristalino, la capa absorbente de las células solares orgánicas no consta de un material, sino de una mezcla de materiales denominada donante / aceptor. Esto es necesario porque el rendimiento de los pares de portadores de carga gratuita sería demasiado bajo. Después de la absorción de fotones, se produce una transferencia de portador de carga muy rápidamente en la interfaz entre los dos materiales. En el pasadodurante la transferencia de carga, generalmente había una pérdida considerable de energía, lo que reducía el voltaje de la celda solar en consecuencia. Además, los fullerenos absorben muy poca luz solar, por lo que la electricidad fue generada principalmente por el componente donante.
Dado que los semiconductores orgánicos generalmente solo absorben en un cierto rango de longitud de onda, el espectro solar no podría usarse lo suficientemente bien. Ambas limitaciones podrían superarse mediante innovaciones materiales. Mientras tanto, se utilizan como aceptores moléculas mucho más similares a los materiales donantes y cuyas propiedades ópticas y eléctricas pueden adaptarse mejor modificando la estructura química. Debido a que los nuevos aceptadores ahora son ellos mismos fuertes absorbentes, la corriente de las células solares podría incrementarse considerablemente. Al mismo tiempo, los niveles energéticos de donante y aceptor se adaptaron mejor entre sí, de modo que el voltaje se incrementó al mismo tiempo. Ahora se han logrado eficiencias prometedoras en todo el mundo con una amplia gama de diferentes materiales absorbentes.
Sin embargo, esto ocurre generalmente en áreas de celdas muy pequeñas, a menudo de solo unos pocos milímetros cuadrados. Por esta razón, los investigadores de Fraunhofer ISE diseñaron hace algún tiempo un diseño de celda, que deriva la corriente fotogenerada de manera muy eficiente a partir de la superficie celular activa. “Cuando logramos una alta eficiencia con un material absorbente comercial en pequeñas celdas de laboratorio, queríamos saber si esto también funcionaría en el área más grande de 1,1 cm2. Quedamos muy satisfechos con los resultados ya que no experimentamos ninguna pérdida”, dice Birger Zimmermann, director del equipo de tecnología de producción de células solares orgánicas en Fraunhofer ISE.
La medición certificada en las células fotovoltaicas CalLab de Fraunhofer ISE dio como resultado un valor del 14,9%. "Este es un paso importante en la dirección correcta", agrega el Dr. Uli Würfel, jefe del departamento de energía fotovoltaica orgánica y de perovskita en Fraunhofer ISE y líder de grupo en la FMF en la Universidad de Friburgo, “y también tenemos algunas ideas sobre cómo se puede aumentar aún más la eficiencia. Así que las próximas semanas y meses serán muy emocionantes ".
Al hacerlo, los investigadores de Friburgo no pierden de vista el hecho de que el objetivo general es el módulo procesado de rol a rol, para el cual se deben cumplir condiciones de límite adicionales. Una vez que se demostró el potencial de los nuevos materiales absorbentes orgánicos en un área pequeña en los procesos de laboratorio, se deben encontrar formas de implementar este potencial de la manera más completa posible en módulos de alto rendimiento de áreas grandes.
"Junto con los socios industriales, continuaremos llevando la energía fotovoltaica orgánica a la madurez del mercado", dice el director del instituto, Cama de Andreas. "Esta tecnología, con sus opciones de aplicación flexibles, es un componente importante a largo plazo para la expansión que se necesita con urgencia de la energía fotovoltaica como el pilar más importante de generación de energía en un sistema sostenible".
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