RECERCA internacional amb l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC: Un estudi elabora un catàleg de regles de disseny per aconseguir una tecnologia fotovoltaica més eficient
Aquesta classificació permetrà guiar de forma més precisa la síntesi de noves molècules altament absorbents per a les cel·les solars orgàniques del futur
El treball proposa emprar models d’aprenentatge automàtic (machine learning) i aproximacions semiempíriques que permetin disminuir la despesa computacional dels càlculs
Un estudi internacional amb participació del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) ha elaborat un catàleg d’estratègies per maximitzar l’absorció de llum dels materials fotosensibles emprats a les cel·les solars orgàniques, on els materials semiconductors encarregats d’absorbir la llum i convertir-la en electricitat són molècules basades en àtoms de carboni.
L’article, liderat per investigadors de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), l’Imperial College London (Regne Unit) i la Universitat de Linköping (Suècia), és publicat a la revista Energy and Environmental Science.
“Aconseguir més amb menys: aquesta és una de les fites més complicades en el camp de la tecnologia fotovoltaica orgànica a causa de les implicacions pràctiques que comporta: millorar l’eficiència de les cel·les solars, la seva estabilitat i la semitransparència per a l’ull humà. Aquesta classificació, presentada com a regles de disseny, permetrà guiar de manera més precisa la síntesi de noves molècules altament absorbents per a les cel·les solars orgàniques del futur”, explica l’investigador Mariano Campoy, de l’ICMAB.
Els materials de carboni de les cèl·lules solars orgàniques poden ser polímers o petites molècules conjugades (on s’alternen enllaços simples i dobles del carboni). Aquest catàleg recopila regles de disseny per fer petites molècules conjugades més absorbents, com ara els NFA (de l’anglès, non-fullerene acceptors). Aquesta nova família de materials semiconductors no derivats del ful·lerè ha demostrat al laboratori una eficiència superior a la de la resta de molècules emprades. Tot i això, les característiques fonamentals que fan que els NFA siguin tan bons absorbents de llum no han sigut encara estudiades de forma ordenada i racional, la qual cosa impedeix el desenvolupament de nous materials més enllà de l’estat de l’art actual”, afegeix Campoy.
Per fer aquest estudi, els investigadors van construir una base de dades computacional formada per més de 3.500 molècules diferents i la van fer servir per comparar resultats experimentals en termes de capacitat d’absorció de llum. “Gràcies a aquest treball hem descobert que la correlació més gran entre càlculs teòrics i experiments es produeix en molècules en estat líquid. Això és perquè encara existeixen limitacions en els mètodes de càlcul a l’hora de reproduir les condicions de molècules conjugades en estat sòlid, que és com es troben a les cel·les solars convencionals”, comenta l’investigador de l’ICMAB. “D’altra banda, l’anàlisi estadística avançada ha permès identificar les característiques de les molècules que resulten en una absorció de llum eficient, relacionades amb la seva estructura i els àtoms que les conformen”, comenta l’investigador de l’ICMAB.
Amb l’objectiu d’accelerar el cribratge de nous materials des d’un punt de vista teòric, els autors de l’article demostren que es poden fer servir models d’aprenentatge automàtic (machine learning) i aproximacions semiempíriques per fer prediccions precises disminuint la despesa computacional dels càlculs. Una menor despesa computacional implica fer cribratges moleculars ràpids i accessibles fins i tot des d’un ordinador de sobretaula, cosa que incrementa l’accessibilitat del cribratge a qualsevol laboratori que així ho requereixi.
Jun Yan, Xabier Rodríguez-Martínez, Drew Pearce, Hana Douglas, Danai Bili, Mohammed Azzouzi, Flurin Eisner, Alise Virbule, Elham Rezasoltani, Valentina Belova, Bernhard Dörling, Sheridan Few, Anna A. Szumska, Xueyan Hou, Guichuan Zhang, Hin-Lap Yip, Mariano Campoy-Quiles and Jenny Nelson. Identifying structure–absorption relationships and predicting absorption strength of non-fullerene acceptors for organic photovoltaics. Energy Environ. Sci., 2022, 15, 2958-2973 DOI: 10.1039/D2EE00887D
FOTOGRAFIA: Semiconductors orgànics en suports de vidre (ICMAB-CSIC).
