Las células fotovoltaicas orgánicas (OPV), o células solares orgánicas, son un tipo de célula solar que utiliza materiales semiconductores orgánicos para generar electricidad a partir de la luz solar. Estos semiconductores suelen estar hechos de polímeros a base de carbono, ya sean moléculas grandes o moléculas pequeñas.
Y mientras que los paneles solares tradicionales fabricados con silicio son pesados y rígidos, las células solares orgánicas son delgadas, flexibles y pueden utilizarse para crear paneles solares de película fina o incluso paneles solares transparentes.
No obstante, durante décadas el progreso en el campo de las células solares orgánicas se ha visto obstaculizado por la rapidez con la que la luz puede descomponerlas. Superar este obstáculo ha sido un desafío debido a las grandes lagunas en la comprensión de los científicos sobre cómo diseñar moléculas fotoestables.
Recientemente un grupo de químicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, apoyados con programas de Inteligencia Artificial (IA), logró elaborar moléculas orgánicas que captan luz con una estabilidad cinco veces superior a la de sus predecesoras.
Procedimiento
Para ello los investigadores se apoyaron en una IA que ofrecía sugerencias sobre qué moléculas crear. Luego, un sistema automatizado sintetizó esos compuestos y analizó sus propiedades en experimentos. Así, la IA analizó los datos resultantes para mejorar sus sugerencias.
En conjunto, este nuevo sistema iterativo generó moléculas que captan luz de manera superior que los compuestos con los que comenzaron los investigadores. El éxito se logró solo después de generar 30 nuevas moléculas candidatas en cinco rondas de síntesis, experimentación y optimización, o 1.5% de los dos mil 200 compuestos potenciales que podría haber producido.
Además, el sistema puede explicar qué hace que estos nuevos compuestos sean más estables para ayudar a los científicos a diseñar mejores moléculas en el futuro.
Innovación
Aunque los científicos ya han utilizado la IA en la investigación química, un desafío clave que la IA enfrenta desde hace mucho tiempo es su naturaleza de caja negra, es decir, su incapacidad para revelar cómo llegó a sus decisiones.
Por ejemplo, un modelo de IA puede encontrar lo que sugiere que son moléculas óptimas para una aplicación, pero por lo general no puede explicar qué aspectos de sus estructuras o propiedades las hacen óptimas.
Para ayudar a resolver este problema los investigadores desarrollaron una segunda IA que monitoreaba las decisiones de la primera. Esta segunda IA también desplegó modelos de características químicas potencialmente vinculadas con la fotoestabilidad.
Nick Jackson, profesor adjunto de Química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign e integrante del estudio, indica que la investigación sobre la fotoestabilidad suele centrarse en los estados triplete, un sistema con tres posibles valores de espín o, en otros términos, explica Jackson, “el estado de los electrones en una molécula después de absorber luz”.
Cuando los electrones de las moléculas se excitan hasta alcanzar estados tripletes las moléculas pueden sufrir reacciones que degradan los compuestos.
Anteriormente, cuando se investigaba qué causaba que una molécula excitada por la luz se descompusiera o no, los científicos normalmente se centraban en los estados tripletes de menor energía. Estos son los estados hacia los que los electrones generalmente se relajan si se les da suficiente tiempo.
Sorprendentemente, según la segunda IA, los compuestos descubiertos por la primera IA eran más fotoestables debido a sus estados tripletes de alta energía.
En concreto, los niveles de energía de estos estados promovían interacciones entre las moléculas y el disolvente en el que estaban disueltas, lo que ayudaba a estabilizar los compuestos. Los investigadores validaron estos hallazgos de la IA en experimentos.
A pesar del triunfo, Jackson advierte que las células solares orgánicas de alto rendimiento aún tienen un largo camino por recorrer para alcanzar la vida útil de varios años que será necesaria para la viabilidad industrial.
Sin embargo, añade, “lo emocionante es que ahora tenemos lo que efectivamente equivale a un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) con base en la física, que puede decirnos a dónde movernos en nuestro espacio de diseño molecular para llegar a mejores fotoestabilidades”, finaliza.
Energía fotovoltaica orgánica
Funciona del mismo modo que las células solares, convirtiendo la luz solar en electricidad a nivel atómico.
Las células solares orgánicas absorben la luz solar en forma de fotones —pequeña partícula de energía electromagnética—, que liberan los electrones de los átomos y su movimiento crea una corriente eléctrica.
Cuando se trata de generar electricidad la única diferencia entre las células solares orgánicas y las células de silicio es su material semiconductor.
Eficiencia Las versiones más antiguas de células fotovoltaicas orgánicas tenían una eficiencia media de 11%. Sin embargo, en los últimos años los investigadores han conseguido desarrollar células solares orgánicas que pueden alcanzar una eficiencia de 19.3%. Este nivel de eficiencia sigue siendo inferior al de las células solares monocristalinas, que pueden alcanzar hasta 24 por ciento.
Ventajas Las células solares orgánicas son flexibles, con aplicaciones versátiles, presentan bajos costos de fabricación y existe una gran abundancia de materiales para su fabricación.
Desventajas Degradación más rápida en comparación con las inorgánicas con base en silicio: duran menos de diez años en el mejor de los casos. En comparación, los paneles solares tradicionales duran entre 25 y 30 años, esencialmente el triple de la vida útil de las células solares orgánicas.
Fuente: NREL