Os pesquisadores, liderados pela Universidade de Cambridge, identificaram um caminho de perda nas células solares orga¢nicas que as torna menos eficientes do que as células baseadas em sila­cio na conversão da luz solar em eletricidade. Além disso, eles identificaram uma maneira de suprimir essa via manipulando moléculas dentro da canãlula solar para evitar a perda de corrente elanãtrica por um estado indesejável, conhecido como exciton tripleto.

Seus resultados , relatados na revista Nature , sugerem que poderia ser possí­vel para as células solares orga¢nicas competir mais de perto com as células baseadas em sila­cio para eficiência.

As células solares orga¢nicas, que são flexa­veis, semitransparentes e baratas, podem expandir muito a gama de aplicações da tecnologia solar. Eles podem ser enrolados ao redor do exterior dos edifa­cios e podem ser usados ​​para a reciclagem eficiente da energia usada para a iluminação interna, nenhuma das quais épossí­vel com os painanãis convencionais de sila­cio. Eles também são muito mais amiga¡veis ​​ao meio ambiente para produzir.

“As células solares orga¢nicas podem fazer muitas coisas que as células solares inorga¢nicas não podem, mas seu desenvolvimento comercial se estabilizou nos últimos anos, em parte devido a  sua eficiência inferior”, disse o Dr. Alexander Gillett, do Laborata³rio Cavendish de Cambridge , o primeiro autor do artigo. “Uma canãlula solar ta­pica a  base de sila­cio pode atingir eficiências de até20 a 25%, enquanto células solares orga¢nicas podem atingir eficiências de cerca de 19% em condições de laboratório e eficiências do mundo real de cerca de 10 a 12%.”

As células solares orga¢nicas geram eletricidade imitando vagamente o processo natural da fotossa­ntese nas plantas, exceto que, em última análise, usam a energia do sol para criar eletricidade, em vez de converter dia³xido de carbono e águaem glicose. Quando uma parta­cula de luz, ou fa³ton, atinge uma canãlula solar, um elanãtron éexcitado pela luz e deixa um 'buraco' na estrutura eletra´nica do material. A combinação desse elanãtron excitado com o buraco éconhecida como exciton. Se a atração maºtua entre o elanãtron carregado negativamente e o buraco carregado positivamente no exciton, semelhante a  atração entre os polos positivo e negativo de um a­ma£, pode ser superada, épossí­vel colher esses elanãtrons e buracos como uma corrente elanãtrica.

No entanto, os elanãtrons nas células solares podem ser perdidos por meio de um processo chamado recombinação, onde os elanãtrons perdem sua energia - ou estado de excitação - e voltam para o estado de 'buraco' vazio. Como háuma atração mais forte entre o elanãtron e o buraco nos materiais a  base de carbono do que no sila­cio, as células solares orga¢nicas são mais propensas a  recombinação, o que, por sua vez, afeta sua eficiência. Isso requer o uso de dois componentes para impedir que o elanãtron e o buraco se recombinem rapidamente: um material 'doador' de elanãtrons e um material 'aceitador' de elanãtrons.

Usando uma combinação de espectroscopia e modelagem por computador, os pesquisadores foram capazes de rastrear os mecanismos em funcionamento nas células solares orga¢nicas, desde a absorção de fa³tons atéa recombinação. Eles descobriram que um mecanismo chave de perda nas células solares orga¢nicas écausado pela recombinação de um tipo particular de exciton, conhecido como exciton tripleto.

Nas células solares orga¢nicas, os excitons tripletos apresentam um problema difa­cil de superar, pois éenergeticamente favora¡vel para que se formem a partir dos elanãtrons e dos buracos. Os pesquisadores descobriram que, por meio da engenharia de fortes interações moleculares entre o doador de elanãtrons e os materiais aceitadores de elanãtrons, épossí­vel manter o elanãtron e o buraco mais separados, evitando que ocorra a recombinação em excitons tripletos.

A modelagem computacional sugere que, ao ajustar os componentes das células solares orga¢nicas desta forma, as escalas de tempo de recombinação para esses estados de excitons tripletos podem ser reduzidas em uma ordem de magnitude, permitindo uma operação mais eficiente da canãlula solar.

“O fato de podermos usar as interações entre os componentes de uma canãlula solar para desligar a via de perda de excitons do trigaªmeo foi realmente surpreendente”, disse Gillett. “Nosso manãtodo mostra como vocêpode manipular moléculas para impedir que a recombinação acontea§a.”

"Agora, os químicos sintanãticos podem projetar a próxima geração de materiais doadores e aceitadores com fortes interações moleculares para suprimir essa via de perda", disse o co-autor Dr. Thuc-Quyen Nguyen da Universidade da Califa³rnia, Santa Ba¡rbara, EUA. “O trabalho mostra o caminho a seguir para alcana§ar maior eficiência do dispositivo.”

Os pesquisadores dizem que seu manãtodo fornece uma estratanãgia clara para obter células solares orga¢nicas com eficiências de 20% ou mais, parando a recombinação em estados de excitons tripletos. Como parte de seu estudo, os autores também foram capazes de fornecer regras de projeto para os materiais doadores e aceitadores de elanãtrons para atingir esse objetivo. Eles acreditam que essas diretrizes permitira£o que grupos de química projetem novos materiais que bloqueiem a recombinação em excitons tripletos, permitindo que células solares orga¢nicas com eficiências próximas ao sila­cio sejam realizadas.