Introducción

La fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) se ha convertido en una vía crítica para la transición energética urbana sostenible. Entre varias tecnologías, las células solares orgánicas semitransparentes (ST-OSC) destacan como candidatas ideales para ventanas autosuficientes debido a su banda prohibida ajustable y semitransparencia intrínseca. Sin embargo, las ST-OSC convencionales enfrentan un cuello de botella importante: para equilibrar la transparencia y la eficiencia, la capa activa debe permanecer extremadamente delgada (por debajo de 80 nm), lo que crea serios desafíos para la fabricación industrial a gran escala. Pequeñas fluctuaciones de espesor pueden causar caídas drásticas en el rendimiento, y la retención de eficiencia de célula a módulo (CTM) para módulos de gran área suele mantenerse por debajo del 56%.

Un avance reciente publicado en Nature Communications por equipos del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) y colaboradores aborda este problema de larga data. Al combinar una estrategia de dilución del donante con recubrimiento por ranura en condiciones de solvente libre de halógenos, los investigadores fabricaron con éxito ST-OSC con una notable tolerancia al espesor. Incluso con una capa activa ultra gruesa de 301 nm, los dispositivos mantuvieron una alta eficiencia de utilización de la luz (LUE), y los módulos de 100 cm² lograron una relación CTM de aproximadamente el 85%.

Salto de rendimiento en eficiencia de utilización de la luz

En aplicaciones BIPV, las células semitransparentes han enfrentado durante mucho tiempo un compromiso fundamental: aumentar el espesor de la capa activa mejora la absorción de fotones y la eficiencia de conversión de potencia (PCE), pero reduce significativamente la transmitancia visible promedio (AVT). La industria evalúa los ST-OSC utilizando la Eficiencia de Utilización de Luz (LUE = PCE × AVT) como métrica clave.

Este estudio introduce una estrategia de dilución del donante con una relación D:A de 1:3, aprovechando la estructura de red fibrosa de los materiales aceptores bajo condiciones de procesamiento específicas. Este enfoque permite aumentos sustanciales en el espesor de la capa activa mientras se mantiene una alta transparencia.

Los datos observados son sorprendentes. Cuando el espesor de la capa activa aumentó de 119 nm a 301 nm, las células basadas en PM6:Qx-p-4Cl mantuvieron un LUE del 3.02%, demostrando una excepcional robustez al espesor. Esto resuelve un punto crítico en el procesamiento de áreas grandes, donde el control de películas delgadas ha sido notoriamente difícil.

La Figura 1 muestra las estructuras químicas y los espectros de absorción del sistema PM6:Qx-p-4Cl, las tendencias de rendimiento en diferentes relaciones D:A para dispositivos opacos y semitransparentes, y demuestra cómo el sistema con donante diluido supera a los sistemas convencionales en retención de transmitancia y ventaja de LUE en diferentes espesores.

Mecanismo Detrás de la Tolerancia al Espesor

¿Por qué el enfoque de dilución del donante resuelve el problema de sensibilidad al espesor? El equipo de investigación realizó investigaciones exhaustivas mediante estudios de morfología y espectroscopia ultrarrápida.

En cuanto a las características morfológicas, el recubrimiento por slot-die bajo condiciones específicas promueve la agregación ideal de moléculas aceptoras, formando redes continuas similares a fibrillas interpenetrantes. Esta estructura asegura un transporte de carga fluido incluso cuando el contenido de donante es extremadamente bajo.

Para la dinámica de excitones, las mediciones experimentales revelaron que el aceptor Qx-p-4Cl posee una longitud de difusión de excitones notablemente larga, de aproximadamente 22.34 nm. Esto asegura que los excitones puedan alcanzar eficazmente las interfaces y disociarse incluso en sistemas gruesos y diluidos.

El análisis de generación de carga mediante espectroscopia de absorción transitoria (TA) confirmó que el sistema mantiene una generación de carga eficiente y estable en diferentes espesores y relaciones.

La Figura 2 presenta la caracterización GIWAXS y AFM que revela la estructura de la red de fibrillas, junto con espectros de absorción transitoria y curvas cinéticas que demuestran una generación y transporte de carga robustos en el sistema diluido con donante.

Dinámica de Formación de Películas: Slot-Die vs Spin Coating

La investigación además descubrió la esencia física de por qué el recubrimiento slot-die supera a los procesos tradicionales de spin coating.

A diferencia del spin coating, donde las películas experimentan una agregación tipo explosión en estados sobresaturados, el recubrimiento slot-die sobre sustratos calentados induce una agregación ordenada del aceptor ya en la fase líquida. Esto cambia fundamentalmente la vía de evolución de la morfología.

El control de la viscosidad también juega un papel crucial. La dilución del donante reduce la viscosidad de la solución, acelerando la evaporación del solvente y extendiendo el tiempo de cristalización después del adelgazamiento de la película. Esto suprime la agregación excesiva del aceptor en grandes espesores.

Esta dinámica única de formación de película asegura que durante el recubrimiento de grandes áreas, la calidad de la película sea menos sensible a las fluctuaciones de los parámetros del proceso, un factor crítico para la consistencia de la producción industrial.

La Figura 3 muestra el monitoreo in-situ de espectroscopía de absorción UV-Vis del proceso de agregación del aceptor, junto con esquemas comparativos de los mecanismos de formación de película bajo spin coating versus slot-die coating, destacando el papel regulador crítico de los sustratos calentados en la evolución de la morfología.

Perspectivas Industriales y Aplicaciones BIPV

Aprovechando las ventajas de procesamiento derivadas de la alta tolerancia al espesor, el equipo de investigación tradujo con éxito la tecnología en aplicaciones prácticas.

En módulos de 100 cm², lograron un 10.40% de PCE y un 3.32% de LUE con una relación CTM del 85%, estableciendo un nuevo punto de referencia para grandes módulos semitransparentes.

Para la demostración de la función BIPV, el equipo construyó una maqueta de casa autosuficiente con una ventana generadora de energía de 600 cm². Los experimentos demostraron que el sistema podía alimentar pantallas LCD y cargar baterías de litio.

Los beneficios de ahorro de energía son igualmente impresionantes. Debido a que la capa activa bloquea el 88.28% de la radiación infrarroja cercana, las ventanas de las celdas redujeron las temperaturas interiores aproximadamente 9.2°C en comparación con las ventanas de vidrio ordinarias, reduciendo significativamente el consumo de energía del edificio.

Las pruebas de estabilidad mostraron que después de 1000 horas de exposición al aire libre, los dispositivos retuvieron más del 82% de su eficiencia inicial, demostrando un excelente potencial de comercialización.

La Figura 4 muestra la estructura del módulo de 100 cm² y las estadísticas de eficiencia CTM, junto con demostraciones de aplicación BIPV que incluyen el funcionamiento de dispositivos electrónicos autoalimentados, almacenamiento de energía y las curvas significativas del efecto de enfriamiento por aislamiento térmico.

Conclusión y perspectivas

Esta investigación proporciona un apoyo crítico para la fotovoltaica orgánica en aplicaciones de edificios verdes y redes energéticas a través de varias contribuciones clave.

Primero, reduce las barreras de fabricación al romper la dependencia de las ST-OSC de las películas ultrafinas. La alta tolerancia al espesor se traduce directamente en mayores rendimientos de producción y menores costos.

Segundo, permite una reducción de carbono multidimensional. Las ventanas ST-OSC contribuyen con electricidad verde mediante la generación fotovoltaica, al mismo tiempo que reducen el consumo pasivo de energía del aire acondicionado de los edificios gracias a un excelente aislamiento térmico.

Tercero, la tecnología demuestra una amplia aplicabilidad. La estrategia de dilución del donante combinada con el procesamiento con solventes libres de halógenos se alinea con las tendencias de fabricación ecológica, eliminando obstáculos para que la fotovoltaica orgánica avance hacia líneas de producción a escala industrial.

A medida que el mundo avanza hacia la neutralidad de carbono, esta solución energética inteligente que integra generación de energía, ahorro energético y atractivo estético está transformando cada edificio en una micro central eléctrica verde.

Artículo original: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

Perspectiva de Ooitech

Ooitech cree: la dilución del donante combinada con el recubrimiento por ranura rompe el cuello de botella de la tolerancia al espesor de las células solares orgánicas semitransparentes, allanando un camino realista para la industrialización de BIPV y el despliegue comercial a gran escala.