Al igual que la tecnología solar de silicio tradicional, los OSC convierten la energía del sol en electricidad utilizable. Pero son mucho más versátiles que los fotovoltaicos solares convencionales. Los OSC son livianos y flexibles y se pueden hacer semitransparentes o en varios colores. Estas cualidades les brindan aplicaciones potenciales para células solares integradas en edificios, vehículos y textiles, y para generar energía en áreas donde no existe.

Aplicaciones únicas

Si bien se necesitan fondos e investigación adicionales para llevar las OSC al mercado comercial, los expertos coinciden en que jugarán un papel importante en el futuro de la tecnología solar. Dicho esto, no reemplazarán ni competirán cara a cara con las células solares de silicio. "No deberíamos esperar ver campos expansivos de OSC, como los que generan gigavatios de energía en las granjas solares de silicio", dice Seth Marder, profesor de química en Georgia Tech. Silicon solar es adecuado para proporcionar energía solar a gran escala, mientras que los OSC tienen otras fortalezas únicas que guían sus aplicaciones en el mundo real. 

Dos características únicas de las OSC son su delgadez y flexibilidad. Si bien una celda solar de silicio típica es tan gruesa como el ancho promedio de un cabello humano, la mayoría de las OSC son aproximadamente mil veces más delgadas. Debido a su delgadez y flexibilidad, los OSC se pueden fabricar en superficies curvas y soportes flexibles. Por ejemplo, se pueden parchear o integrar en la tela de tiendas de campaña, mochilas e incluso ropa. La mayoría de estos productos aún están en desarrollo y ocupan un nicho de mercado, pero demuestran la creatividad innovadora que brindan las OSC. Con la tecnología OSC, las posibilidades de dónde se pueden utilizar las células solares se han ampliado enormemente más allá de los tejados y las granjas solares.

Los OSC también se pueden hacer transparentes, semitransparentes o en varios colores. Como resultado, existen muchas aplicaciones potenciales para uso arquitectónico. Por ejemplo, los OSC transparentes podrían integrarse en ventanas para generar energía a partir de la luz solar que, de otro modo, podría calentar una habitación y contribuir a mayores costos de aire acondicionado. Franky So, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, ofrece otra aplicación más: los OSC podrían usarse en techos corredizos para ayudar a impulsar vehículos eléctricos e híbridos.

Además, la baja inversión inicial y los costos de envío de productos potencialmente bajos hacen que la tecnología OSC sea accesible para las comunidades en los países en desarrollo que carecen de acceso a una red eléctrica y de los medios financieros para construir una. Los OSC tienen una capacidad única de "llevar poder donde no existe", explica Malika Jeffries-EL, profesora asociada de química en la Universidad de Boston. En estos casos, la tecnología OSC podría proporcionar electricidad esencial en las cantidades más pequeñas necesarias para tareas como iluminación, carga de teléfonos celulares y refrigeración de medicamentos y vacunas.

Otro punto de venta de los OSC es que su fabricación requiere menos energía que las células solares de silicio. Se necesitan hornos extremadamente calientes, de más de 1,500 ° C (2,700 ° F), para generar silicio de alta pureza para las células solares de silicio. En comparación, los OSC a gran escala se pueden fabricar simplemente imprimiendo las capas de la celda en un soporte en un proceso similar al utilizado para imprimir periódicos. Debido a que este proceso consume menos energía, las OSC tienen un tiempo de recuperación de energía significativamente más corto que las celdas de silicio. En otras palabras, los OSC requieren menos tiempo para generar la cantidad de energía necesaria para fabricarlos.

¿Cómo funciona?

La primera celda solar orgánica se desarrolló en 1958, pero no fue hasta la década de 2000 que las OSC vieron un aumento significativo en la eficiencia. Esta tecnología OSC mejorada surgió del campo de los diodos emisores de luz orgánicos, comúnmente conocidos como OLED. La tecnología OLED se utiliza para muchas pantallas de televisión y teléfonos en el mercado actual. En una pantalla OLED, una capa de moléculas orgánicas (moléculas compuestas principalmente de átomos de carbono e hidrógeno) emite luz cuando se aplica una corriente eléctrica. Las OSC funcionan esencialmente de manera opuesta: la capa de moléculas orgánicas genera una corriente eléctrica cuando se expone a la luz.

Una célula solar orgánica está formada por múltiples capas de materiales, una de las cuales es la capa aceptora. Cuando la luz solar incide en la célula, se libera un electrón de la capa de moléculas orgánicas y el trabajo del aceptor es pasar ese electrón al electrodo. Este proceso provoca una acumulación de carga, que es lo que genera electricidad.

Tradicionalmente, los aceptores más utilizados en las OSC eran materiales basados ​​en fullereno, una molécula compuesta por 60 átomos de carbono unidos en una estructura que se asemeja a un balón de fútbol. Sin embargo, con los aceptores de fullereno, la eficiencia de las OSC se limitó a alrededor del 10%. En otras palabras, solo el 10% de la luz solar que llega a la célula solar se convierte en electricidad. Por lo tanto, los investigadores se propusieron explorar nuevos tipos de capas aceptoras como un medio para aumentar la eficiencia de OSC.

El gran avance que permitió que las OSC alcanzaran una mayor eficiencia fue el desarrollo de aceptores que no son de fullereno (NFA). Con los NFA, la eficiencia de los OSC aumentó drásticamente: hasta 18% en tan solo unos años. Esto ha llevado a las OSC al extremo inferior de la Eficiencia del 18% al 22% de la celda solar de silicio comercial promedio disponible. Este aumento en la eficiencia ha superado las expectativas de muchos expertos, algunos de los cuales comenzaron a trabajar en el campo cuando la eficiencia de los OSC rondaba solo el 3%. “Si hace 10 años me hubiera dicho que tendríamos células solares orgánicas con una eficiencia del 18%, me habría reído”, dice Marder.  

Barreras para superar

Aún queda mucho trabajo por hacer antes de que los OSC puedan comercializarse ampliamente. Uno de los mayores desafíos son los disolventes utilizados en el proceso de fabricación. La mayoría de los OSC de alto rendimiento se fabrican con disolventes clorados, que presentan riesgos tanto para la salud como para el medio ambiente. "Al ampliar la fabricación de OSC, debe considerar la exposición de las personas que trabajarán en las plantas de fabricación", dice Bernard Kippelen, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Georgia Tech. La investigación hasta la fecha se ha centrado principalmente en obtener eficiencias cada vez mayores, pero como dice Kippelen, "necesitamos un enfoque que vaya mucho más allá de un solo número". Para hacer de los OSC una tecnología viable, el proceso de fabricación debe optimizarse para hacerlo más seguro y rentable.

Otra barrera para la producción masiva de OSC es la diferencia entre las eficiencias de las células individuales probadas en condiciones ideales de laboratorio y las eficiencias que se han demostrado para módulos más grandes. Las celdas individuales pueden tener altas eficiencias, pero el ensamblaje de múltiples celdas en módulos, paneles o matrices requiere conexiones eléctricas adicionales que disminuirán la eficiencia. Sin embargo, como señala Kippelen, se esperan este tipo de disparidades. “Toma algún tiempo antes de que los aumentos en la eficiencia de la celda se reflejen en la eficiencia de los módulos que salen de las líneas de fabricación”, dice. “Lo mismo ocurre con las células solares de silicio”.

El financiamiento para la investigación de OSC es otra preocupación. En los Estados Unidos, gran parte de la financiación para la investigación de células solares proviene de agencias gubernamentales, como el Departamento de Energía. Sin embargo, según Kippelen, "muchas fuentes de financiación se agotaron para hacer investigación sobre OSC", debido a la aparición de una clase de células solares en rápida expansión llamada perovskitas. “Ha habido mucho entusiasmo en torno al uso de perovskitas porque su eficiencia es incluso mayor que la del silicio en algunos casos”, dice Kippelen. Sin embargo, incluso cuando la financiación para las OSC ha disminuido en los EE. UU., China continúa encabezando la investigación y el desarrollo de las OSC. “La cantidad de trabajo [en investigación de OSC] en los Estados Unidos es una pequeña fracción de la cantidad de trabajo en China”, dice Marder. "La gente en China está haciendo todo lo posible con esto". 

Razones para el optimismo

El consumo mundial de energía en el futuro seguirá aumentando, especialmente a medida que los países en desarrollo aspiran a los mismos beneficios de la producción de energía bajo demanda que disfrutan los países desarrollados. Investigadores como Marder, Kippelen, Jeffries-EL y So dicen que la tecnología OSC tiene el potencial de desempeñar un papel único e importante en la transición global hacia la energía renovable. El reciente aumento en la eficiencia de OSC al 18% tiene a muchos investigadores trabajando para avanzar en esta tecnología, y los científicos ahora están estudiando OSC en tándem (que utilizan dos materiales diferentes que absorben distintas longitudes de onda de la luz solar) para capturar aún más energía. Algunos tienen la esperanza de que este desarrollo pueda aumentar la eficiencia de OSC aún más, hasta en un 20%.

Kippelen pide una visión a largo plazo de la tecnología OSC. "La tecnología solar va a existir durante mucho tiempo", dice, "y realmente creo que OSC, con el tiempo, se establecerá como una tecnología realmente importante".

Sobre el Autor

 Kellie Stellmach es una estudiante graduada que busca su doctorado. en química en Georgia Tech. Le apasiona el desarrollo de nuevos materiales orgánicos para abordar los desafíos ambientales y de sostenibilidad. Su investigación actual se centra en la síntesis de polímeros de baja temperatura del techo con aplicaciones potenciales como materiales reciclables.

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Este artículo apareció originalmente en ENSIA