Los investigadores han logrado avances significativos en la tecnología de células solares de polímero al desarrollar un método para utilizar la ingeniería de cadenas laterales para mejorar las interacciones moleculares. Este enfoque elimina la necesidad de disolventes de procesamiento halogenados tóxicos, lo que mejora la eficiencia y la estabilidad de la batería. Este estudio destaca las ventajas de las cadenas laterales basadas en oligoetilenglicol (OEG) y marca un paso clave hacia células solares más ecológicas y eficientes que son más adecuadas para dispositivos portátiles.
Las células solares de polímero son conocidas por su peso ligero y flexibilidad, lo que las hace ideales para dispositivos portátiles. Sin embargo, los disolventes halogenados tóxicos necesarios en el proceso de producción dificultan su uso generalizado. Estos solventes plantean riesgos ambientales y para la salud que limitan el atractivo de estas células solares. Desafortunadamente, los solventes alternativos menos tóxicos carecen de la misma solubilidad y, por lo tanto, requieren temperaturas más altas y tiempos de procesamiento más prolongados.
Esta baja eficiencia dificulta aún más la aplicación de células solares de polímero. Un método desarrollado que no requiere el uso de disolventes halogenados podría aumentar significativamente la eficiencia de las células solares orgánicas, haciéndolas más adecuadas para la tecnología portátil.
En un artículo publicado recientemente, los investigadores describen cómo se puede utilizar la ingeniería de cadenas laterales para mejorar las interacciones moleculares entre los donantes de polímeros y los aceptores de moléculas pequeñas, reduciendo así la necesidad de disolventes de procesamiento halogenados.
El artículo fue publicado recientemente en NanoResearch Energy.
"La morfología mixta de un donante de polímero y una molécula pequeña aceptora se ve muy afectada por sus interacciones moleculares, que pueden ser determinadas por la energía interfacial entre los materiales donante y aceptor. Cuando sus valores de tensión superficial son similares, se espera que la energía interfacial y las interacciones moleculares entre el donante y el aceptor sean más favorables", dijo Yun-Hi Kim, profesor de la Universidad Nacional de Gyeongsang en Corea del Sur. "Para mejorar la hidrofilia de los donantes de polímeros y reducir la deshibridación molecular, la ingeniería de cadenas laterales puede ser un enfoque viable".
El papel de la ingeniería de cadena lateral
La ingeniería de cadenas laterales implica agregar un grupo químico llamado cadena lateral a la cadena principal de una molécula. Los grupos químicos en las cadenas laterales pueden afectar las propiedades de las macromoléculas. Los investigadores especularon que agregar cadenas laterales basadas en oligoetilenglicol (OEG) aumentaría la hidrofilicidad del polímero donante, gracias a los átomos de oxígeno en las cadenas laterales. Las moléculas que son hidrófilas son atraídas por el agua.
Las diferencias en la hidrofilicidad de los donantes de polímeros y los aceptores de moléculas pequeñas pueden afectar sus interacciones. A medida que aumenta la hidrofilia de los donantes de polímeros y mejoran sus interacciones con los aceptores de moléculas pequeñas, se pueden utilizar disolventes de procesamiento no halogenados sin afectar el rendimiento de las células solares. De hecho, las células solares de polímero fabricadas con cadenas laterales de OEG unidas a donantes de polímero de benzoditiofeno tenían una eficiencia de conversión de energía del 17,7 %, superior al 15,6 %.
Mejorar la eficiencia y la estabilidad.
Para comparar los resultados, los investigadores diseñaron donantes de polímeros de benzoditienilo con cadenas laterales de OEG, cadenas laterales de hidrocarburos o 50 % de cadenas laterales de hidrocarburos y 50 % de cadenas laterales de OEG. "Esto ilustra el impacto de la ingeniería de cadenas laterales en la morfología híbrida y el rendimiento de las células solares de polímeros procesadas con solventes no halogenados", dijo Kim. "Nuestros resultados muestran que los polímeros con cadenas laterales hidrófilas de OEG pueden mejorar la miscibilidad con aceptores de moléculas pequeñas y mejorar la eficiencia de conversión de energía y la estabilidad del dispositivo de las células solares de polímero durante el procesamiento no halogenado".
Además de mejorar la eficiencia de conversión de energía, las células solares de polímero con cadenas laterales OEG también tienen una mayor estabilidad térmica. La estabilidad térmica es crucial para ampliar las células solares de polímero, por lo que los investigadores las calentaron a 120 grados Celsius y luego compararon las eficiencias de conversión de energía. Después de calentar durante 120 horas, el polímero con cadenas laterales de hidrocarburos tenía solo el 60% de su eficiencia de conversión de energía original y mostró irregularidades en la superficie, mientras que la mezcla de hidrocarburos y OEG mantuvo el 84% de su eficiencia de conversión de energía original.
"Nuestros hallazgos pueden proporcionar una guía útil para diseñar donantes de polímeros para producir células solares de polímeros estables y eficientes utilizando un procesamiento con solventes no halogenados", dijo Kim.
Referencia: Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim y Bumjoon J. Kim publicaron un artículo en "Nano Research Energy" el 24 de julio de 2023: "El donante de polímero de cadena lateral hidrofílica permite células solares de polímero eficientes y térmicamente estables mediante un tratamiento con disolventes no halogenados".
doi:10.26599/nre.2023.9120088
Fuente compilada: ScitechDaily