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miércoles, 22 de junio de 2016

Estructura molecular que mejora la captacion de energía solar

Liderado por el CSIC y el Imperial College London, el trabajo revela que los polímeros con estructura molecular sin curvatura son mejores. Publicado en Nature Materials, es un hallazgo importante para la obtención de paneles solares más efectivos. Los materiales resultantes consiguen pasar del 4% o el 5% de eficiencia al 8,5%.

Imagen: Cuanto más recto es el eje de la estructura molecular del polímero, mayor su capacidad de absorber la luz. Esta propiedad es lo que se conoce como la longitud de persistencia (persistence length, en inglés), una propiedad mecánica que determina la rigidez del polímero. Cuanto mayor curvatura tiene el eje de la estructura molecular, menor capacidad para absorber luz solar. 

El gran reto de la energía solar es cómo conseguir materiales capaces de absorber mayor cantidad de luz y, con ello, capaces de obtener más energía. Hasta la fecha, gran parte del trabajo de mejora de las células solares orgánicas se centra en el color de los materiales: extender su absorción hacia el rojo o incluso el infrarrojo -actualmente, los materiales de los paneles únicamente captan la parte del espectro correspondiente al azul y el verde- de forma que aprovechen la mayor fracción del espectro solar posible.
Ahora, una investigación coliderada por Mariano Campoy, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, y Jenny Nelson, del Imperial College de Londres, ha abordado el tema desde una perspectiva diferente. “Hemos intentado entender qué es lo que hace que un material de un color dado, absorba más o menos luz más allá de variar el grosor de la capa, o en otras palabras, qué es lo que controla la magnitud del coeficiente de absorción”, explica Mariano Campoy. Los resultados, publicados en Nature Materials, son un paso importante hacia la obtención de paneles solares que permitan un mayor rendimiento energético.
En el estudio también han participado científicos de la Universidad de Chipre, del University College London, y de la Universidad King Abdullah de Ciencia y Tecnología (Arabia Saudí).
Estructura plana
Tras analizar numerosos polímeros semiconductores, los científicos han descubierto que hay polímeros que absorben hasta un 40 o un 50% más que los materiales convencionales. El análisis de la estructura revela que el mecanismo que controla el color y la magnitud de la absorción es la conformación de la cadena polimérica: cómo sea de plana esta cadena del polímero es lo que determina su color. Dentro de ese plano que contiene la cadena polimérica, la curvatura del polímero determina la magnitud de la absorción: cuanto más recto es el eje de la estructura molecular del polímero, mayor su capacidad de absorber la luz. Esta propiedad es lo que se conoce como la longitud de persistencia (persistence length, en inglés), una propiedad mecánica que determina la rigidez del polímero. Por el contrario, cuanto mayor curvatura tiene el eje de la estructura molecular, menor es la capacidad de absorber luz.
Un polímero es un material formado por una unidad (monómero) que se repite formando cadenas. Un ejemplo gráfico es imaginar cada monómero como un folio: una cadena de folios totalmente recta, tendría una estructura plana y una alta longitud de persistencia. Si cada folio se tuerce ligeramente, dentro de ese plano la fila de folios tendría una curvatura mayor, una menor longitud de persistencia y menor capacidad para absorber luz solar.
Para verificar el hallazgo, los científicos han sintetizado nuevos polímeros que cumplieran esa propiedad y han demostrado que, efectivamente, lo que define la absorción de luz es la longitud de persistencia. Cuanto más recta es la estructura (y mayor la longitud de persistencia), mayor la capacidad de absorber luz. Los materiales resultantes también tienen mejores propiedades electrónicas y mejoran el transporte de carga. Juntando ambas mejoras, consiguen pasar del 4-5% de eficiencia al 8,5%. 
El hallazgo permitiría fabricar polímeros que puedan absorber más luz solar en menor espacio y mayor libertad al diseñar las formas de los paneles solares. Y es que una de las soluciones actuales para absorber más energía, apunta Mariano Campoy, pasa por hacer placas solares más gruesas o más grandes, a fin de tener más material ‘captador’. Pero esa solución tiene sus limitaciones, ya que la conductividad de los polímeros es limitada (y cuanto más gruesa es la placa, mayor recorrido deben realizar los electrones dando lugar a pérdidas de corriente).
Mariano Campoy Quiles (Santiago de Compostela), es investigador del Grupo de materiales nanoestructurados del Instituto de Ciencias de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC. Trabaja en la identificación ultrarrápida de materiales orgánicos prometedores para el sector energético (paneles solares y dispositivos termoeléctricos). Actualmente, la puesta a punto de estos materiales es muy costosa, y se ha convertido en el cuello de botella que está limitando el desarrollo de estas tecnologías.
Artículo de referencia:
Exploring the origin of high optical absorption in conjugated polymers. Michelle S. Vezie, Sheridan Few, Iain Meager, Galatia Pieridou, Bernhard Dörling, R. Shahid Ashraf, Alejandro R. Goñi, Hugo Bronstein, Iain McCulloch, Sophia C. Hayes, Mariano Campoy-Quiles and Jenny Nelson. Nature Materials doi:10.1038/nmat4645
Fuente: DICAT (CSIC)