La energía fotovoltaica orgánica basada en carbono (OPV) puede resistir mucho mejor de lo que se creía a la radiación de alta energía y a los bombardeos de partículas subatómicas de los entornos espaciales. Este hallazgo, realizado por investigadores de la Universidad de Michigan en los EE. UU., desafía la creencia de larga data de que los dispositivos OPV se degradan sistemáticamente en condiciones como las que encuentran las naves espaciales en la órbita baja de la Tierra. Si se verifica en pruebas del mundo real, el hallazgo sugiere que algún día las OPV podrían rivalizar con las tecnologías fotovoltaicas tradicionales de película delgada basadas en semiconductores rígidos como el arseniuro de galio.
La energía fotovoltaica ligera, robusta y resistente a la radiación es una tecnología fundamental para muchas aplicaciones aeroespaciales. Las células OPV son especialmente atractivas para este sector porque son ultraligeras, térmicamente estables y muy flexibles. Esta última propiedad les permite integrarse tanto en superficies curvas como planas.
Los dispositivos OPV de unión única actuales tienen otra ventaja: gracias a una eficiencia de conversión de potencia (PCE) que ya supera el 20%, su potencia específica (es decir, la potencia generada por peso) puede alcanzar los 40 W/g, una cifra significativamente superior a la de las tecnologías fotovoltaicas tradicionales, incluidas las basadas en silicio (1 W/g) y arseniuro de galio (3 W/g) sobre sustratos flexibles. Los dispositivos con una potencia específica tan elevada podrían proporcionar energía a pequeñas naves espaciales que se dirijan a la órbita baja terrestre y más allá.
Hasta ahora, sin embargo, los científicos creían que estos materiales tenían un defecto fatal para las aplicaciones espaciales: no eran resistentes a la irradiación de partículas energéticas (predominantemente flujos de electrones y protones) con las que las naves espaciales se topan rutinariamente.
Prueba de dos materiales OPV típicos
En el nuevo trabajo, investigadores dirigidos por ingenieros eléctricos e informáticos Li Yongxi y físico Esteban Forrest Analizaron cómo se comportan dos materiales OPV típicos cuando se exponen a partículas de protones con energías diferentes. Lo hicieron caracterizando sus propiedades optoelectrónicas antes y después de la exposición a la irradiación. Los primeros materiales estaban compuestos de moléculas pequeñas (DBP, DTDCPB y C70) que se habían cultivado mediante una técnica llamada evaporación térmica al vacío (VTE). El segundo grupo estaba formado por pequeñas moléculas y polímeros procesados en solución (PCE-10, PM6, BT-CIC e Y6).
Las mediciones del equipo muestran que las OPV cultivadas mediante VTE mantuvieron su eficiencia fotovoltaica inicial bajo flujos de radiación de hasta 1012 cm-2En cambio, los OPV basados en polímeros pierden el 50% de su eficiencia original en las mismas condiciones. Esto, según los investigadores, se debe a que la irradiación de protones rompe los enlaces carbono-hidrógeno en las cadenas laterales alquílicas moleculares de los polímeros. Esto conduce a la reticulación del polímero y a la generación de trampas de carga que aprisionan los electrones y les impiden generar corriente útil.
La buena noticia, dice Forrest, es que muchos de estos defectos pueden repararse mediante el recocido térmico de los materiales a temperaturas de 45 °C o menos. Después de dicho recocido, el PCE de la célula vuelve a casi el 90% de su valor anterior a la irradiación. Esto significa que las células solares orientadas al Sol hechas de estos materiales podrían esencialmente "autocurarse", aunque Forrest reconoce que si esto sucede realmente en el espacio profundo es una cuestión que requiere más investigación. "Puede ser más sencillo diseñar el material de modo que las trampas de electrones nunca aparezcan en primer lugar o llenándolas con otros átomos, eliminando así este problema", dice.
Las células solares de perovskita híbridas fabricadas en rollo alcanzan eficiencias récord
Según Li, el nuevo estudio, que se detalla en Joule, podría ayudar al desarrollo de pruebas de estabilidad estandarizadas para determinar cómo interactúan los protones con los dispositivos OPV. Dichas pruebas ya existen para las células solares de silicio cristalino y de asbesto de silicio (c-Si) y de asbesto de silicio (GaAs), pero no para los OPV, afirma.
Los investigadores de Michigan dicen que ahora desarrollarán materiales que combinen PCE altos con una fuerte resistencia a la exposición a protones. “Luego usaremos estos materiales para fabricar dispositivos OPV que luego probaremos en CubeSats y naves espaciales en entornos del mundo real”, dice Li. Mundo de la física.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/organic-photovoltaic-solar-cells-could-withstand-harsh-space-environments/
