La investigación de los materiales orgánicos cristalinos mejora el diseño de las celdas fotovoltaicas
Aunque se han logrado grandes avances en los sistemas fotovoltaicos orgánicos, el control de su estructura a nanoescala no ha resultado fácil. En este sentido, el desarrollo de sistemas modelo de redes interpenetrantes con una estructura espacial bien definida de fases de donación y aceptación de electrones representaría un gran avance. El proyecto ECOF (Electroactive Donor-Acceptor Covalent Organic Frameworks), financiado con fondos europeos, abordó este reto mediante la creación de sistemas modelo muy definidos en aras de mejorar tanto la comprensión de la relación entre los parámetros electrónicos y estructurales como la dinámica resultante del portador de carga inducida por la luz. Los investigadores basaron su trabajo en los marcos orgánicos covalentes (COF, por sus siglas en inglés), una clase de materiales cristalinos orgánicos muy porosos descubierta recientemente cuyos componentes básicos se mantienen unidos mediante enlaces covalentes. «Estos polímeros bidimensionales laminares y tridimensionales auguran un control estructural mucho mayor y una mejor comprensión de las propiedades físicas», comenta Thomas Bein, coordinador del proyecto. Este proyecto interdisciplinario único integró la síntesis orgánica de alto nivel con la nanociencia avanzada y la caracterización física exhaustiva. «Poder ensamblar arquitecturas COF a nanoescala y microescala tiene una gran importancia para lograr nuevas funcionalidades», explica Bein.
Un alto grado de orden
Los socios del proyecto desarrollaron COF que pueden formar fases semiconductoras, incluidas fases de interpenetración con propiedades de donador y aceptor de electrones. «Los nuevos marcos pueden servir, en último término, como heterouniones a granel periódicas, que comprenden materiales donantes y aceptores entremezclados en todo el dispositivo que pueden recolectar luz, generar excitones y separar estos últimos en cargas que se recogen en los electrodos o que se convierten en enlaces químicos», señala Bein. Es más, el alto grado de orden de estos sistemas brinda asimismo un conocimiento exhaustivo de la dinámica del portador de carga, lo que permite a los científicos crear celdas fotovoltaicas más eficientes y otros dispositivos optoelectrónicos. El equipo trabajó mano a mano con químicos orgánicos, lo que facilitó la creación de COF con diferentes variedades heteroaromáticas de donantes y aceptores de electrones. Esto favoreció la formación de redes interpenetrantes con un alto grado de orden para la separación de cargas inducida por la luz. A fin de lograr sus ambiciosos objetivos, los investigadores de ECOF sintetizaron primero componentes moleculares básicos multifuncionales para crear COF altamente cristalinos. También desarrollaron estrategias de crecimiento de películas delgadas, incluidas películas orientadas a sustratos conductores, construyeron dispositivos y caracterizaron de manera exhaustiva el comportamiento optoelectrónico y dinámico de los nuevos sistemas.
Microestructuras creadas
Una investigación mecánica pormenorizada reveló la transformación dependiente del tiempo de los aglomerados iniciales laminares en microestructuras tubulares. Bein comenta: «Curiosamente, el COF obtenido exhibió una agregación espontánea en ensamblajes microtubulares con diámetros de tubo externo e interno de aproximadamente 300 y 90 nm, respectivamente». Para modificar aún más las propiedades luminiscentes de los COF, también es posible injertar grupos fluorescentes en las paredes de los sistemas COF funcionalizados. «Por ejemplo, hemos desarrollado un nuevo COF basado en el ácido terfenildiborónico que presenta poros abiertos de aproximadamente 4,1 nm», añade Bein. ECOF brindará nuevas oportunidades para generar modelos y predicciones precisas sobre la relación entre la estructura espacial y electrónica de semiconductores orgánicos y su comportamiento optoelectrónico. «Confiamos que estos conocimientos tengan una relevancia clave para el futuro diseño de dispositivos eficientes basados en semiconductores orgánicos, como las celdas fotovoltaicas orgánicas y los diodos orgánicos emisores de luz», concluye Bein.
Palabras clave
ECOF, marco orgánico covalente (COF), electrón, donante, aceptor, cristalino, celda fotovoltaica, optoelectrónico, motivos, semiconductor, heterounión, polímero, ácido terfenildiborónico
