Las pruebas de radiación sugieren que las células solares hechas de materiales orgánicos u basados en carbono podrían superar al silicio convencional y al arseniuro de galio para generar electricidad en la última frontera, sugiere un estudio de la Universidad de Michigan.
Si bien investigaciones anteriores se centraron en qué tan bien las células solares orgánicas convertían la luz en electricidad después de la exposición a la radiación, la nueva investigación también investigó qué sucede a nivel molecular para causar caídas en el rendimiento.
«Los semiconductores de silicio no son estables en el espacio debido a la irradiación de protones proveniente del sol», dijo Yongxi Li, primer autor del estudio que se publicará en Joule y científico investigador asociado de la UM en ingeniería eléctrica e informática en el momento de la investigación. «Probamos la energía fotovoltaica orgánica con protones porque se consideran las partículas más dañinas en el espacio para los materiales electrónicos».
Las misiones espaciales a menudo utilizan arseniuro de galio por su alta eficiencia y resistencia al daño de los protones, pero es caro y, como el silicio, relativamente pesado e inflexible. Por el contrario, las células solares orgánicas pueden ser flexibles y mucho más ligeras. Este estudio se encuentra entre los que exploran la confiabilidad de los compuestos orgánicos, ya que las misiones espaciales tienden a utilizar materiales altamente confiables.
Las células solares orgánicas hechas con moléculas pequeñas no parecían tener ningún problema con los protones: no mostraron daños después de tres años de radiación. Por el contrario, los fabricados con polímeros (moléculas más complejas con estructuras ramificadas) perdieron la mitad de su eficiencia.
«Descubrimos que los protones escinden algunas de las cadenas laterales, y eso deja una trampa de electrones que degrada el rendimiento de las células solares», dijo Stephen Forrest, profesor distinguido de ingeniería de la Universidad Peter A. Franken en la UM y autor principal correspondiente del estudio.
Estas trampas atrapan los electrones liberados por la luz que incide en la celda, impidiendo que fluyan hacia los electrodos que recolectan la electricidad.
«Esto se puede solucionar mediante recocido térmico o calentando la célula solar. Pero podríamos encontrar formas de llenar las trampas con otros átomos, eliminando este problema», dijo Forrest.
Es posible que las células solares orientadas hacia el sol puedan esencialmente autocurarse a temperaturas de 100°C (212°F); este calor es suficiente para reparar los enlaces en el laboratorio. Pero quedan preguntas: por ejemplo, ¿seguirá teniendo lugar esa reparación en el vacío del espacio? ¿Es la curación lo suficientemente fiable para misiones largas? Puede ser más sencillo diseñar el material de manera que las trampas de electrones que acaban con el rendimiento nunca aparezcan.
Li tiene la intención de explorar más a fondo ambas vías como profesor asociado entrante de materiales avanzados y fabricación en la Universidad de Nanjing en China.
La investigación está financiada por Universal Display Corp y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.
Los dispositivos se construyeron en parte en la Instalación de Nanofabricación de Lurie, se expusieron a un haz de protones en el Laboratorio de Haz de Iones de Michigan y se estudiaron en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan.
El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de UM Innovation Partnerships. Universal Display obtuvo la licencia de la tecnología de UM y presentó una solicitud de patente. Forrest tiene un interés financiero en Universal Display Corp.
