Células Fotovoltaicas Orgánicas Procesables Desde Solución

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CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ORGÁNICAS PROCESABLES DESDE SOLUCIÓN Resumen Las células fotovoltaicas orgánicas, basadas en películas de polímeros dopadas con fulerenos, avanzan rápidamente hacia su fase de viabilidad comercial. En esta revisión se recogen los progresos más recientes en dos aspectos críticos para aplicaciones tecnológicas: las eficiencias de los dispositivos fotovoltaicos y las tecnologías de fabricación que permitan volúmenes de producción grandes. En términos de eficiencias de dispositivo, nos centraremos en los avances en polímeros de bandgap pequeño, morfología de las películas y estructuras de dispositivo orientados a aumentar la eficiencia por encima del 5%. A continuación, revisaremos las mejoras para el desarrollo de procesos de producción de alto rendimiento basados en técnicas de impresión desde solución, para fabricación de dispositivos a bajo coste.

Introducción Actualmente, tras 50 años de retos y entusiasmo, el campo de la fotovoltaica (PV) está convirtiéndose en un éxito, con un valor de mercado en 2007 superior de 10000 millones de dólares y una tasa de crecimiento interanual del 30-40%. Aunque la contribución de la fotovoltaica a la generación de energía eléctrica global aún sigue siendo inferior al 0.1%, la escala de la fuente de energía solar (la irradiación solar incidente sobre la Tierra en una hora es equivalente a la demanda energética mundial de todo un año) junto con el rápido crecimiento de este mercado sugieren que la fotovoltaica pude jugar pronto un papel clave en el suministro de energía global. Las últimas cinco décadas han estado dominadas por una fotovoltaica basada en el silicio. Sin embargo, desde comienzos de siglo, las tecnologías fotovoltaicas de película delgada, conocidas como de segunda generación, como el silicio amorfo, el CIGS (diselenuro de cobre, indio y galio) y el CdTe (teluluro de cadmio) rápidamente se han puesto a la altura en términos de rendimiento y de tecnologías de fabricación, encontrándose ahora en una fase de rápida expansión de producción. Los próximos años determinarán si, realmente, estamos al principio del fin de la preponderancia del mercado de fotovoltaica basada en silicio cristalino. El periodo de tiempo requerido por una tecnología fotovoltaica para pasar del concepto de laboratorio al mercado es aproximadamente de 20-30 años. Con el silicio amorfo, el CGIS y el CdTe actualmente asentándose en el mercado, surge la pregunta de qué plataforma tecnológica de fotovoltaica será la siguiente. La investigación, hoy por hoy, en tales plataformas se está desarrollando en dos direcciones: eficiencias ultra-altas y costes de producción extremadamente bajos. Para la fabricación en fotovoltaica de bajo coste es preciso dirigir la atención a las tecnologías de procesado de células fotovoltaicas desde solución, basadas tanto en absorbentes de luz moleculares como inorgánicos, incluyendo mezclas de polímeros, pequeña molécula, sensibilidad por pigmentos (dye-sensitized) y dispositivos basados en nanopartículas inorgánicas. Es por ello que, en esta revisión, nos centraremos en considerar las células solares orgánicas (OSCs) procesables desde solución, basadas en películas de polímero dopadas con fulereno (ver Figura 1). Tales dispositivos tienen un gran potencial para ser fabricados a muy bajo coste, no tanto por el precio de los materiales involucrados, sino más por la elevada productividad de las técnicas de impresión y recubrimiento en comparación con las basadas en obleas. La única tecnología de fabricación que es capaz de alcanzar tasas de producción superiores a 10000 m2/h con costes inferiores a unos pocos euros/m2 son los sistemas de recubrimiento continuo (webcoating) y de impresión (incluyendo el recubrimiento continuo en vacío), también conocidos como recubrimiento/impresión roll-to-roll. Los costes potencialmente muy bajos de estas

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tecnologías son muy alentadores y están motivando a la comunidad investigadora, tanto académica como industrial, a desarrollar esta tecnología y conseguir sea apta en el mercado en menos de una década. Podemos mencionar como excelentes revisiones en este tema las de Janssen y Brabec en el año 20051,2, por lo que nos limitaremos a los principales avances posteriores a esa fecha, focalizados, sobre todo, en dos aspectos: - La selección de materiales para la capa fotoactiva, destinados a mejorar el rendimiento del dispositivo, y - La selección de procesos de producción que permitan altos volúmenes de producción, altas velocidades y buenos rendimientos. La revisión está organiza en dos partes: en la primera, se describe el estado de conocimiento en cuanto al rendimiento de la fotovoltaica orgánica procesable desde solución; y en la segunda, se analizan con detalle los aspectos de fabricación y aplicabilidad. Avances en la eficiencia de los dispositivos La capa fotoactiva (que absorbe luz) de las OSCs procesables desde solución está compuesta, generalmente, por una mezcla bicontinua de dos materiales orgánicos semiconductores (ver Figura 1): un polímero conjugado mezclado con un derivado soluble del fulereno (C60). Las diferencias (offsets) entre el orbital molecular más alto ocupado (HOMO) y el orbital molecular más bajo desocupado (LUMO) de los dos materiales dan lugar a la formación de una heterounión en la que el polímero actúa como donor de electrones y el C60 como aceptor. La excitación óptica de la mezcla da lugar a una separación de carga fotoinducida a través de la heterounión, y el posterior transporte de carga a través de las dos fases permite la salida de corriente a un circuito externo. Los materiales más utilizados en OSCs a día de hoy son el poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) y el derivado del C60 conocido como PCBM ([6,6]-fenil -C61-ácido butírico metil ester), como se muestra en la Figura 1. Varios grupos han exhibido dispositivos de área pequeña con eficiencias superiores al 4% utilizando la mezcla P3HT/PCBM3,4,5. Este éxito puede atribuirse a varias propiedades de esta combinación de materiales: (i) El bandgap óptico del P3HT (de aproximadamente 1.9 eV) y un coeficiente de absorción alta permiten una absorción de luz eficiente para longitudes de onda de hasta 650 nm empleando películas de tan sólo 200 nm de espesor; (ii) El nivel LUMO del PCBM está aproximadamente un 1 eV por debajo del LUMO del P3HT, lo que proporciona una fuerza de arrastre suficiente para la separación de las cargas en la interfaz; (iii) La energía libre del estado de cargas separadas, aproximadamente la diferencia de energías entre el nivel LUMO del PCBM y el HOMO del P3HT, es suficiente para generar un voltaje de salida razonable por encima de 600 mV; y (iv) Las movilidades de los huecos en el P3HT y de los electrones en el PCBM están en el orden de magnitud de 10-4 cm2/(V s) o más, lo que evita pérdidas resistivas significativas durante el transporte de carga hacia los electrodos del dispositivo. De crucial importancia es el hecho de que tanto el P3HT como el PCBM son aptos para la sistemática optimización de la morfología de la mezcla. Son razonablemente miscibles pero muestran fuerte tendencia a cristalizar en dominios separados en la escala nanométrica3,4,5 y a formar gradientes de concentración perpendiculares a los electrodos del dispositivo6. Varias estrategias distintas han sido utilizadas para optimizar la morfología de las películas y la cristalinidad, incluyendo el control de regioregularidad de los polímeros, las condiciones de deposición de la película y las condiciones de procesado posteriores a la deposición3,4,5. Estas estrategias parecen haber sido exitosas a la hora de conseguir morfologías de película compatibles con una separación y recolección de carga eficientes a la vez que se minimizan las pérdidas de recombinación en la interfaz, que es por lo que se logran eficiencias de dispositivo por encima del 4%. 2 

 

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Análisis teóricos del rendimiento de dispositivo óptimo alcanzable en función de las propiedades específicas de los materiales han dado lugar a estrategias para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos, por encima de los de P3HT/PCBM7. Tales análisis han identificado dos recursos clave para lograr aún más avances. Uno de los recursos aspira a mejorar la salida de voltaje de la célula solar. Este voltaje se ve limitado por la energía libre del estado de carga separada fotoinducido y por tanto, por la diferencia de energías entre el nivel HOMO del polímero y el nivel LUMO del PCBM. La estrategia para hacer frente a esta limitación suele ser utilizar polímeros con potenciales de ionización más altos. El recurso alternativo es mejorar la fotocorriente mejorando la absorción de luz en la capa fotoactiva. Este objetivo se ha conseguido, tradicionalmente, reduciendo el bandgap óptico del polímero para mejorar la absorción a longitudes de onda más largas. Aunque, a lo largo de los últimos años, se ha producido un importante esfuerzo investigador en el diseño, síntesis y evaluación de polímeros basados en estos dos recursos8, en la práctica, ha resultado ser verdaderamente complicado mejorar la eficiencia por encima de la los dispositivos de P3HT/PCBM. Se ha sugerido que el lograr una disociación eficiente de cargas fotogeneradas puedes ser un reto considerablemente mayor de lo que se supuso inicialmente, puesto que la disociación normalmente requiere una energía libre relativamente grande para que la separación de cargas genere polarones con suficiente energía térmica como para vencer la atracción de Coulomb9. No obstante, una interesante variedad de nuevos materiales han sido ensayados para OSCs, incluyendo no sólo homopolímeros, sino también copolímeros y polímeros conjugados que incorporan metales en su composición. Los nuevos materiales y su ensayo han conducido no sólo a una mejora del rendimiento de los dispositivos, sino también a una mejor comprensión del funcionamiento subyacente, relacionando las propiedades de los materiales con el rendimiento del dispositivo. Un éxito especialmente notable ha sido el copolímero de bajo bandgap que contiene unidades benzotiadiazol y ditiofeno: el PCPDTBT ó poli[2,6-(4,4-bis-(2etilhexil)-4H-ciclopenta[2,1-b;3,4-b’]ditiofeno)-alt-4,7-(2,1,3-benzotiadiazol10,11. Este tipo de materiales han conducido a un rendimiento superior al 5%, como se observa en la Figura 2. Cuando se mezcla con el C70 (análogo al PCBM) y se utiliza un sistema codisolvente de clorobenceno/octano ditiol para la deposición de la película, este polímero ha logrado una generación de fotocorriente eficiente hasta 850 nm y una conversión de potencia de luz blanca del 5.5%11. De forma paralela a los estudios anteriores, que intentan mejorar la eficiencia de los dispositivos mediante el ajuste de los niveles HOMO y LUMO del polímero, otros grupos han intentado una serie de enfoques innovadores para lograr mayor control sobre la morfología de la capa responsable de la generación de luz, como el uso de copolímeros de bloque o estructuras dendríticas12. Aunque tales enfoques han llevado, hasta la fecha, a dispositivos con eficiencias modestas, el control más sistemático de la morfología de la mezcla que ofrecen es muy prometedor. Al margen de las mejoras en la capa fotoactiva, varios estudios han buscado la mejora de la eficiencia a través del diseño global del dispositivo. Una estrategia es utilizar la gestión de luz para mejorar la absorción de la misma. El contacto superior de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos suele ser un electrodo metálico reflectante, lo que da pie a la posibilidad de varios caminos de luz dentro de la capa activa y a efectos interferentes. Ejemplos de estrategias de gestión de la luz que ya han demostrado ser prometedoras incluyen el uso de capas ópticas espaciadoras de TiOx para optimizar la distribución espacial de la luz dentro del dispositivo13 y el uso de estructuras de dispositivo corrugadas que garanticen el control de los múltiples caminos de luz a través de la capa activa14. Un enfoque alternativo es el utilizar estructuras de dispositivo tándem. Por ejemplo, recientemente se ha logrado una eficiencia de dispositivo del 6% para una célula tándem polimérica, totalmente procesable desde solución, empleando una interfaz de TiOx entre ambas células15.

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Figura 1. (a) Esquema del funcionamiento de una célula solar orgánica típica. (b) Estructuras químicas de los donores y aceptores más empleados. (c) Fotografía de células orgánicas generadas con técnicas roll-to-roll. La capa activa de la célula solar es una mezcla de P3HT/PCBM. Nota: P3HT es poli(3-hexiltiofeno), PCBM es [6,6]-phenyl-C61-ácido butírico metil ester, PEDOT es polyi3,4-etilendioxitiofeno), PSS es poli(4-estirenosulfonato), y TCO es óxido conductor transparente.

Figura 2. Certificado del National Renewable Energy Laboratory (NREL) para una célula solar basada en un polímero donor de electrones del tipo copolímeros bitiofeno puenteados16. Este tipo de polímero ya exhibe densidades de corriente en cortocircuito de hasta 15 mA/cm2 para valores máximos de eficiencia cuántica externa (EQE) del 60%a 800 nm. Un polímero totalmente optimizado con una eficiencia cuántica del 80% tiene potencial para proporcionar corrientes de cortocircuito de hasta 18-20 mA/cm2 y eficiencias de en torno a un 7%.

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Tecnologías de fabricación Las máximas productividades al más bajo coste de fabricación se logran a través del procesado en continuo o roll-to-roll. Este tipo de procesos de fabricación pueden dividirse en técnicas de deposición de estado sólido (transferencia), en fase gaseosa (vacío) o de deposición desde solución. La fabricación de los módulos fotovoltaicos requiere al menos la deposición de tiras de capas activas utilizando un diseño sobre una membrana. El método separa eléctricamente las capas activas en células individuales, que se después se interconectan en serie (Figura 3). Las tres clases de procesos de deposición son capaces de producir tanto películas con diseño como sin él. Para el patterning de las películas delgadas se pueden emplear métodos substractivos o aditivos. En el primer caso, para películas sin diseño, el patterning se realiza en un paso de procesado aparte, eliminando la película en las áreas deseadas (por litografía, patterning por láser, repujado o embossing, o grabado, por nombrar algunas de las técnicas más empleadas). En el caso de los métodos aditivos, la deposición de la película y el patterning se realizan en un único paso. La impresión de estado sólido normalmente comienza a partir de películas que ya tienen un diseño. De forma alternativa, el diseño puede generarse durante el proceso de transferencia mediante una técnica como la transferencia láser (ablación del material de la membrana mediante un haz láser). La deposición en vacío con diseños se lleva a cabo utilizando máscaras de sombra o por proceso de despegado (lift-off). Ambos tienen limitaciones en términos de resolución. Las máscaras de sombra requieren precauciones específicas para evitar partículas y para controlar la distancia entre la membrana y la máscara. Los procesos de despegado, más sofisticados, se utilizan para la fabricación de películas de aluminio con diseños. En este caso, una solución de rápida evaporación (por ejemplo un aceite) se imprime justo antes de que la película pase por la unidad evaporadora. Durante la evaporación, se libera la solución del substrato, y se evita la adherencia al metal. La mejor resolución se consigue con métodos de despegado o de fotolitografía clásicos, los cuales necesitan imprimir una foto-resina adecuada. La impresión a partir de solución da lugar directamente a películas con diseños y es la utilizada normalmente cuando se precisa alta resolución. En contraposición, los métodos de deposición desde solución que dan lugar a películas sin diseños se conocen como de recubrimiento o coating. Las películas resultantes de estos métodos pueden someterse a un patterning posterior con técnicas substractivas (patterning por láser o scribing mecánico, por ejemplo).

Figura 3. Corte transversal de un módulo fotovoltaico de cuatro tiras (stripes). Los ejes x e y tienen escalas diferentes. La fabricación requiere cinco pasos principales: (1) deposición del electrodo, (2) deposición de la capa de confinamiento de electrones (por ejemplo PEDOT), (3) deposición del semiconductor, (4) deposición del electrodo superior, y (5) encapsulado.

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Fabricación de células solares utilizando técnicas de recubrimiento (coating) A lo largo de los años, la fabricación de células solares de heterounión masiva se ha ido haciendo cada vez más sofisticada. Los primeros informes de dispositivos fabricados desde solución utilizaban la técnica de spin-coating o revestimiento por rotación17,18. Esta técnica constituye un procedimiento bien conocido para la deposición de películas delgadas con gran precisión, requiere poco trabajo de formulación y tolera un rango de viscosidades bastante amplio. El espesor de la capa depositada sobre el substrato pre-tratado se controla a través de una combinación de la velocidad de rotación, aceleración, viscosidad de la solución y temperatura. Los espesores para películas depositadas, empleando este método, van desde los 50 a los 5000 nm. Los spin-coaters de precisión normalmente admiten sustratos con diámetros de hasta 6-8 pulgadas (15-20 cm, aproximadamente). La desventaja de esta técnica es la elevada pérdida de material (>90%) y su incompatibilidad con la fabricación roll-to-roll. Aunque las pérdidas de material pueden minimizarse recogiendo y purificando los restos aislados en el spinbowl, la incompatibilidad con técnicas roll-to-roll no ha podido ser resuelta hasta la fecha. Poco después de la aparición de las primeras células fotovoltaicas orgánicas fabricadas por spincoating, la utilización de doctor-blades mostró que muchas de las desventajas del spin-coating podían ser solventadas19,20. La técnica de recubrimiento conocida como doctor-blading permite distribuir homogéneamente la película desde solución a medida que la cuchilla avanza sobre el substrato. Es compatible tanto con la fabricación por lotes como con técnicas roll-to-roll, y la formulación de las soluciones es muy similar al caso del spin-coating. La formación de la película viene determinada por cuatro parámetros: la concentración (responsable de la viscosidad de la solución), la temperatura de la solución, la velocidad de la cuchilla y la distancia entre la cuchilla y el substrato (es decir, el volumen de solución depositado). El perfil de temperatura y la cinética de secado de la película húmeda durante el procedimiento son bastante diferentes de los del spin-coating y pueden conducir a morfologías distintas en estado sólido21. No obstante, algunas investigaciones cuidadosas han mostrado que esta técnica puede producir células solares totalmente optimizadas y con rendimientos idénticos a los de las fabricadas por spin-coating20. Una alternativa altamente ingeniosa es la tecnología de recubrimiento denominada spraycoating, que, además, puede resultar aún más sencilla22 que el doctor-blading. Esta técnica transfiere pequeñas gotitas de solución (del orden de micras) al substrato, donde se secan al impactar. La formulación de la solución no es un problema, puesto que este método funciona bien con soluciones altamente diluidas. Las películas fabricadas utilizando este método se caracterizan por presentar superficies rugosas: debido a la transferencia de gotitas relativamente grandes que se secan individualmente en el substrato sin formar antes una película continua, la rugosidad puede ser de hasta decenas de nanómetros (en comparación con pocos nanómetros para las películas preparadas con las dos técnicas vistas anteriormente). No obstante, con este procedimiento se han obtenido películas coherentes y células solares y fotodetectores totalmente operativos para espesores de la capa de semiconductor 3 a 4 veces superiores a la rugosidad superficial23. Todas estas técnicas pioneras para el recubrimiento con películas semiconductoras han demostrado que la fabricación reel-to-reel de células solares orgánicas es factible. Se han presentado OSCs producidas roll-to-roll con buenos resultados24 depositando tanto la capa de confinamiento de electrones (PEDOT:PSS) como la capa de semiconductor (P3HT:PCBM) empleando velocidades de varios metros por minuto sobre películas de poliéster recubiertas de ITO de 50 mm de anchura, sobre las cuales se depositaba un electrodo superior (cátodo) de aluminio mediante deposición en vacio, lográndose eficiencias superiores al 1%. La fabricación de módulos requiere el patterning de las capas depositadas. Al menos la zona de interconexión, donde se conectan eléctricamente las células adyacentes en serie, debe mantenerse limpia de material depositado. La mayoría de las técnicas de recubrimiento tienen un potencial limitado a la hora de depositar películas con un determinado dibujo. Afortunadamente, el patterning de cintas largas, conforme a las necesidades de los módulos

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fotovoltaicos, es compatible con las especificaciones de varios métodos de recubrimiento (por ejemplo, utilizando cabezas de recubrimiento con múltiples canales para depositar la solución). Sin embargo, la resolución de tales procesos viene a estar en el régimen de las décimas de milímetro, casi un orden de magnitud mayor de lo deseable. Un buen modo de superar esta limitación es el post-patterning de estas películas, por métodos ópticos o mecánicos. El patterning por ablación láser de películas delgadas, mencionado anteriormente, se emplea mucho en fotovoltaica inorgánica y ya ha sido probado con éxito para la fabricación de OSCs combinado con el recubrimiento de grandes superficies, demostrando un gran potencial en términos de resolución, velocidad y bajo coste25.

Fabricación de células solares orgánicas por técnicas de impresión La impresión es, por supuesto, la tecnología más sencilla para crear películas con diseños. Sin embargo, la mayor parte de los métodos de impresión requieren soluciones con una viscosidad relativamente alta. Las técnicas de coating son más compatibles con soluciones de baja viscosidad, puesto que no es necesario generar un determinado diseño que deba permanecer en el substrato mientras se seca. Cada uno de los métodos de impresión funciona mejor para unas viscosidades específicas, y soluciones suficientemente optimizadas pueden dar lugar a las resoluciones y productividad recogidas en la Tabla 1. Se conocen tres métodos de impresión que funcionan bien con soluciones de baja viscosidad: la impresión por chorro de tinta (inkjet), la flexografía y el huecograbado (gravure). Estos métodos serían las opciones más naturales para la fabricación de células solares orgánicas.

Tabla 1. Propiedades características de los distintos métodos de impresión. Nota: la tabla resume los valores de rendimiento típicos para cada método de impresión, aunque puede haber desviaciones en el caso de procesos o tintas especializados.

Las primeras células fotovoltaicas orgánicas se fabricaron empleando serigrafiado (screenprinting) para depositar la capa activa. Esta tecnología, derivada de la antigua técnica del estarcido, utiliza como matriz un marco con una malla abierta en ciertas zonas, que es la imagen a imprimir, y cerrada en otras (y se fuerza la tinta a pasar a través de las zonas abiertas mediante una cuchilla. Normalmente, requiere viscosidades 10-100 veces mayores que las utilizadas en spin-coating o doctor-blading. Sin embargo, incluso las primeras células solares orgánicas fabricadas con esta técnica han presentado rendimientos excelentes, siendo comparables a las fabricadas con spin-coating (tomadas como sistema de referencia)26. De hecho, algún trabajo ha reivindicado la fabricación con éxito de OSCs con este procedimiento27, pero los requisitos de alta viscosidad limitan mucho la elección de materiales. Sólo los polímeros conjugados con altos pesos moleculares y elevada solubilidad son aptos para fabricación de screen-printing de alta calidad. Las soluciones comerciales utilizadas actualmente para screen-printing son sistemas bastantes complejos, en los que varios aglutinantes, espesantes y modificadores de la viscosidad y la tixotropía, se mezclan con el pigmento. Los modificadores de tixotropía disminuyen la viscosidad de la solución al someterse a esfuerzos de cizalla. Estos aditivos son capaces de convertir fluidos basados en polímeros conjugados en soluciones bien definidas para su uso en screen-printing, pero hasta la fecha, no hay estudios sobre su impacto en el rendimiento del dispositivo fotovoltaico.

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La impresión por chorro de tinta se ha convertido en el método más utilizado para la fabricación de pantallas PLED (diodo orgánico emisor de luz basado en polímeros) multicolor y, a fechas actuales (abril, 2009), es probablemente el método de impresión más utilizado en Electrónica Orgánica. Los dos métodos básicos para la formación de gotas son los sistemas de goteo continuo y los sistemas de goteo bajo demanda (Drop-on-Demand, DoD). En el primer caso, la solución inyectada de forma continua a través de una boquilla (nozzle) se separa en gotas, por ejemplo, mediante una onda acústica generada por un dispositivo piezoeléctrico. Las gotas expulsadas se cargan eléctricamente y son desviadas conforme al diseño deseado. En los sistemas DoD, las gotas se crean de forma discontinua mediante pulsos acústicos (en el caso de soluciones no acuosas) o de calor (para soluciones acuosas) cuando se necesitan. Los sistemas de inyección de tinta pueden generar de forma reproducible gotas desde pocos picolitros hasta nanolitros, lo que corresponde a píxeles en el orden de la micra. La impresión por chorro de tinta para células solares tiene requisitos distintos de la impresión por chorro de tinta para PLEDs. Las aplicaciones fotovoltaicas requieren superficies grandes y con un recubrimiento homogéneo. Las impresoras de chorro de tinta DoD generan píxeles individuales con diámetros que dependen del tamaño de gota y al número de gotas expulsadas, haciendo que estas impresoras no sean apropiadas para aplicaciones fotovoltaicas. Para que la impresión por chorro de tinta tenga éxito para células fotovoltaicas es preciso el desarrollo de soluciones que se sequen de forma suficientemente lenta, además de un esquema de impresión que expulse gotas con una separación lo bastante pequeña como para lograr que los píxeles individuales se fusionen sobre una superficie razonablemente grande antes de secarse. Siguiendo estas reglas de diseño, células solares de alto rendimiento de P3HT/PCBM han sido impresas por chorro de tinta a partir de una mezcla de disolventes con puntos de ebullición altos y bajos (ver Figura 4)28. Se ha mostrado que tales combinaciones de disolventes pueden tener una influencia importante en la morfología de estado sólido del compuesto a la hora de formarse la heterounión masiva durante la fase de secado, especialmente en lo referente a la separación de fase vertical del polímero y del fulereno. Sólo unos pocos grupos de investigación a nivel mundial trabajan en la aplicación de las técnicas de impresión para la fabricación a gran escala de dispositivos electrónicos de área grande y substrato flexible. Esto se debe probablemente los amplios conocimientos y al gran esfuerzo que se precisa para adaptar nuevos sistemas de inyección de tinta a la impresión en gran escala. Dos métodos de impresión para grandes volúmenes para dispositivos electrónicos impresos objeto de amplio debate son la flexografía y el huecograbado. En la impresión por flexografía se utilizan planchas de impresión blandas y flexibles combinadas con tintas de baja viscosidad y presiones de transferencia pequeñas. El hecho de que las planchas de impresión sean flexibles contribuye a reducir la resolución y la calidad de la capa. Ningún otro método, sin embargo, es capaz de trabajar con tintas de baja viscosidad con espesores grandes y variables de hasta varias micras sobre películas delgadas tanto rígidas como flexibles. En el huecograbado, el diseño a imprimir se graba en la plancha de impresión (o película/cilindro). Durante la inmersión en tinta, las celdas o alveolos grabados de la plancha se llenan, y durante la impresión, el substrato toma la tinta de los mismos. El huecograbado permite resoluciones extraordinariamente altas y es compatible con soluciones de viscosidad relativamente baja. Estas propiedades, junto con la capacidad para manejas grandes volúmenes de producción, hacen que sea el método más prometedor para la fabricación en masa de células solares orgánicas. Los primeros intentos con mezclas de P3HT y PCBM han demostrado una excelente calidad de las películas29. La homogeneidad y la rugosidad superficial de las películas de P3HT/PCBM fabricadas por huecograbado son equivalentes a las exhibidas por capas obtenidas mediante spin-coating, y las células solares presentan buenas propiedades de diodo y suficientes derivaciones. No obstante, la corriente de cortocircuito es menor que la media para las células de P3HT/PCBM y podría ser indicativa de una morfología menos favorable durante el proceso de secado. De cualquier modo, los estudios preliminares han demostrado que se pueden fabricar células solares orgánicas a gran escala por métodos de impresión.

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Figura 4. Curvas corriente-voltaje (J-V) para una célula solar orgánica fabricada por impresión de chorro de tinta sometida a iluminación. La solución de semiconductor, una mezcla de P3HT y PCBM, fue impresa a partir de una mezcla de mesitileno/orto-diclorobenceno. Nota: JSC corresponde a corriente de cortocircuito, VOC a voltaje de circuito abierto, FF es el factor de llenado y PCE es la eficiencia de conversión de potencia.

Conclusiones Estamos asistiendo a avances en el campo de la Fotovoltaica Orgánica a un ritmo vertiginoso. Es preciso admitir que, en los últimos años, se han logrado progresos importantísimos en el desarrollo de los métodos de producción para células solares orgánicas. Se ha demostrado la viabilidad de múltiples métodos de impresión y recubrimiento para lograr películas que ya cumplen las especificaciones para el funcionamiento de los dispositivos. Además, desde el entorno industrial se ha logrado recientemente la fabricación roll-to-roll de prototipos de módulos fotovoltaicos, depositando todas las capas por métodos de impresión y recubrimiento. La fabricación roll-to-roll de módulos operativos constituía el último eslabón tecnológico que era preciso superar para pasar de una fase de investigación y desarrollo a la producción, y ahora, una vez superado, se espera que las primeras OSCs sean lanzados al mercado en un futuro próximo. Aunque las mejores eficiencias de los dispositivos están, a día de hoy, en el rango del 5-6%, no existen obstáculos importantes para conseguir eficiencias del 10-15% en los próximos años. La comunidad científica tiene las ideas claras sobre el funcionamiento de los dispositivos y dispone de estrategias para continuar mejorando sus rendimientos. La previsión general es que los futuros progresos vendrán tanto en forma de nuevos materiales optimizados, como de geometrías de dispositivo más eficientes.

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Grupo de Fotónica, Universidad de Valladolid

Referencias                                                              1

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