Imagine un futuro en el que las pantallas de nuestros teléfonos, las fachadas de los edificios e incluso las tiendas de campaña puedan generar electricidad fácilmente-una hazaña posible gracias al inmenso potencial de las células solares de polímero (PSC). En comparación con los paneles solares tradicionales-basados en silicio, los PSC, con sus ventajas únicas de ser livianos, flexibles y con solución-imprimible para la fabricación de dispositivos en áreas grandes-, se han convertido en una estrella en ascenso en el nuevo campo energético. Sin embargo, el principal obstáculo para lograr una aplicación comercial radica en mejorar la eficiencia de conversión fotoeléctrica (PCE). Durante la última década, el PCE ha aumentado de alrededor del 1 % a más del 11 %, y una de las fuerzas impulsoras clave detrás de esto es el diseño y la optimización de materiales fotovoltaicos poliméricos de alto-rendimiento.
1. Del politiofeno a los copolímeros D-A
Las primeras investigaciones se centraron en homopolímeros de politiofeno como el P3HT, pero su estrecho espectro de absorción y su alto nivel de HOMO limitaron su eficiencia. Los investigadores han superado esta limitación mediante el diseño molecular: por ejemplo, la introducción de ramas conjugadas bidimensionales, como el bistiofeno etileno, en el politiofeno no solo amplió el espectro de absorción, sino que también redujo el nivel de HOMO en aproximadamente 0,2 eV, lo que mejoró significativamente el voltaje del circuito abierto-y la corriente de cortocircuito- del dispositivo, aumentando la eficiencia del 2,41 % al 3,18 %. Otra estrategia es reducir el número de cadenas alquílicas e introducir grupos -aceptores de electrones, como grupos éster, que también pueden reducir eficazmente el nivel de energía del HOMO y mejorar significativamente la Voc (p. ej., PDGBT alcanza 0,91 V) y la eficiencia (7,2%).
2. Benzoditiofeno (BDT)
El avance verdaderamente revolucionario provino de la estructura alterna del copolímero donante{0}}aceptor (D-A). Entre ellos, la unidad de benzoditiofeno (BDT) destacó por su gran plano conjugado, alta movilidad y fácil modificación estructural. En 2008, el investigador Hou Jianhui fue pionero en el uso de BDT en el diseño de polímeros D-A en el grupo de investigación de Yang. Posteriormente, la combinación de BDT y tiofeno[3,4-b]tiofeno (TT) se convirtió en la combinación perfecta para materiales de alto rendimiento.
Para explorar más a fondo el potencial de los polímeros similares al BDT-, se pueden adoptar ramas conjugadas bidimensionales-y estrategias de fluoración:
La introducción de ramas conjugadas bidimensionales-en la unidad BDT expande enormemente el área conjugada del electrón π-de la molécula. Esto no sólo mejora las interacciones intermoleculares y las capacidades de transporte de carga, sino que también modula eficazmente el espectro de absorción y el nivel de energía molecular. Por ejemplo, PBDTTT-C-T, PTB7-Th y, posteriormente, PBDT-TS1, que lograron avances en eficiencia de más del 10 %, se beneficiaron de este diseño.
La introducción selectiva de átomos de flúor fuertemente atractores de electrones-en las cadenas laterales o unidades aceptoras de TT de BDT puede reducir de manera sinérgica y significativa el nivel de energía HOMO del polímero, mejorando así en gran medida el voltaje del circuito abierto-del dispositivo. De PBT-OF a PBT-3F, a medida que aumenta el número de átomos de flúor, el Voc aumenta de 0,56 V a 0,78 V y la eficiencia salta del 4,5% al 8,6%.
3. Control de Morfología
El alto rendimiento depende no sólo del material en sí, sino también de la microestructura de la heterounión masiva formada por la mezcla donante/aceptor en la capa activa. La morfología debe ser la correcta: si la región de fase es demasiado grande, los excitones se recombinarán antes de poder separarse; Si la región de fase es demasiado pequeña, las cargas libres también se recombinarán fácilmente. Los investigadores han explorado dos enfoques para controlar las mezclas de polímeros:
Procesamiento con solventes ecológicos: para evitar solventes halogenados tóxicos, los investigadores exploraron el uso de solventes ecológicos como o-xileno y o-metil anisol (MA), combinados con aditivos específicos (como NMP), replicando con éxito la excelente morfología similar a la de los sistemas de solventes halogenados y logrando una alta eficiencia de casi el 10 %.
Optimización de la estructura molecular: al diseñar para hacer que la cadena principal del polímero sea más lineal, aumentar el área conjugada o ajustar con precisión las cadenas laterales alquílicas, la cristalinidad y el empaquetamiento molecular del polímero se pueden controlar activamente, obteniendo así morfologías de mezcla ideales.
Como componente importante de la energía verde, los materiales fotovoltaicos poliméricos están liderando la tendencia de la transformación energética con sus propiedades y ventajas únicas. Con continuos avances tecnológicos y expansión del mercado, los materiales fotovoltaicos poliméricos demostrarán perspectivas de aplicación aún más amplias y un enorme potencial de mercado en el futuro. ¡Esperemos que los materiales fotovoltaicos poliméricos aporten soluciones energéticas más limpias, eficientes y sostenibles a la sociedad humana!
