La celda solar orgánica de pequeñas moléculas procesada con allylrhodanina alcanza un avance de eficiencia del 18,43 %

Células solares más inteligentes para el uso cotidiano

Los paneles solares aparecen en tejados, mochilas e incluso ventanas, pero muchos siguen siendo pesados, rígidos y costosos de fabricar. Este estudio explora un tipo distinto de tecnología solar construida a partir de diminutas moléculas orgánicas que pueden imprimirse como la tinta de un periódico sobre láminas delgadas y flexibles. Al ajustar con cuidado cómo se ordenan estas moléculas mientras se secan, los investigadores llevan un prometedor tipo de celda solar orgánica a una eficiencia récord, acercando la energía solar ultraligera y flexible a la realidad práctica.

Por qué es difícil perfeccionar los paneles solares flexibles

A diferencia de los paneles de silicio en la mayoría de los tejados, las células solares orgánicas usan moléculas basadas en carbono disueltas en un líquido y extendidas en una película delgada. Las versiones de pequeñas moléculas ofrecen grandes ventajas para la producción masiva: su estructura está bien definida, se pueden purificar fácilmente y su comportamiento es consistente de lote a lote. Pero hay un inconveniente. A estas pequeñas moléculas les gusta cristalizar fuertemente y separarse en grandes “islas” dentro de la película. Dado que las cargas eléctricas creadas por la luz solo pueden moverse una distancia corta antes de desaparecer, las islas demasiado grandes implican que muchas cargas nunca alcanzan los electrodos, limitando la corriente y la eficiencia global.

Interviene una diminuta molécula ayudante

El equipo aborda este problema añadiendo una cantidad mínima de un compuesto ayudante llamado 3-allylrhodanina a una mezcla de una molécula donadora (MPhS-C2) y una molécula aceptora (N3). Este ayudante es un “aditivo sólido volátil”: se integra temporalmente en la mezcla durante el recubrimiento y luego se evapora por completo durante un breve paso de calentamiento, sin dejar residuos en el dispositivo terminado. Aunque su estructura se parece a parte del donador, cálculos detallados por ordenador y experimentos de resonancia magnética nuclear muestran que, en realidad, prefiere interactuar con más fuerza con el aceptor. Estas atracciones selectivas permiten que el ayudante dirija cómo se disponen ambos componentes mientras la película húmeda se seca.

Guiando la película mientras se seca

Mediante medidas ópticas tiempo-resueltas, dispersión de rayos X, microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica, los investigadores observan la formación de la película en tiempo real. Normalmente, el donador comienza a cristalizar primero y arrastra al aceptor hacia regiones grandes y gruesas. Cuando está presente el aditivo, cambia sutilmente los tiempos: acorta la ventana en la que el donador puede crecer en exceso, retrasa y modera la cristalización del aceptor y mejora cómo ambos materiales se extienden sobre la capa de contacto subyacente. El resultado final es una película más lisa con dominios mucho más pequeños y distribuidos de manera más uniforme y una estructura vertical más homogénea de arriba abajo: una red finamente entretejida en lugar de masas y huecos.

Cargas de mayor duración y más potencia

Esta estructura interna refinada tiene claras ventajas eléctricas. Mediciones de cómo se absorbe la luz a lo largo de la profundidad de la película revelan que los excitones —pares ligados de cargas creados por la luz— se generan de forma más uniforme y más cerca de los electrodos, por lo que viajan distancias más cortas antes de separarse. Las pruebas del flujo de cargas muestran movilidades más altas y más equilibradas para electrones y huecos, menos trampas donde las cargas quedan atrapadas y menos recombinación en la que se aniquilan entre sí. La espectroscopía láser ultrarrápida confirma que las cargas se separan más rápidamente y viven más tiempo antes de recombinarse. En conjunto, estos efectos elevan la corriente y, especialmente, el factor de llenado, conduciendo a una eficiencia de conversión de potencia del 18,43 % —certificada de forma independiente en 18,16 %—, la más alta hasta ahora para esta clase de celdas solares orgánicas de pequeñas moléculas compuestas por dos componentes.

Qué significa esto para las películas solares futuras

Para un no especialista, el mensaje clave es que un aditivo temporal cuidadosamente elegido puede actuar como un “capataz de obra” para la capa activa en una celda solar flexible. La 3-allylrhodanina no permanece en el dispositivo, pero mientras está presente guía cómo encajan los bloques de construcción, produciendo una textura interna más fina que ayuda a que las cargas generadas por la luz escapen y se recolecten como electricidad. El estudio también derriba la suposición simple de que un aditivo actúa principalmente con el material al que más se parece; en cambio, su eficacia depende de un equilibrio sutil de atracciones hacia todos los componentes. Esta idea de diseño debería ayudar a los investigadores a elaborar aditivos aún mejores y empujar los paneles solares orgánicos impresos y ligeros hacia las eficiencias necesarias para la generación de energía cotidiana.

Cita: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Palabras clave: células solares orgánicas, fotovoltaicos de pequeñas moléculas, control de morfología, aditivos sólidos, paneles solares flexibles