Las interacciones supramoleculares entre cadenas impulsan células solares orgánicas con casi 21% de eficiencia

Por qué importa este avance solar

Los paneles solares hechos de plásticos en lugar de silicio rígido podrían ser ligeros, flexibles e incluso translúcidos, ideales para alimentar dispositivos, ventanas y superficies curvas. Pero estas células solares orgánicas han tenido dificultades para igualar la eficiencia de los mejores paneles actuales porque parte de la energía que absorben se pierde silenciosamente en forma de calor. Este estudio muestra cómo rediseñar cuidadosamente las pequeñas cadenas laterales en moléculas orgánicas puede dominar esa pérdida de energía oculta y acercar las células solares flexibles al 21% de eficiencia, rivalizando con tecnologías más convencionales.

Mejorando los materiales solares plásticos

Las células solares orgánicas dependen de mezclas de moléculas basadas en carbono que absorben la luz y separan cargas. Los autores se centraron en una familia de moléculas “aceptoras” que se asocian con un donante polimérico llamado D18. En diseños estándar, estos aceptores llevan cadenas laterales flexibles que facilitan su disolución y procesamiento pero también les permiten vibrar y moverse. Esos movimientos se acoplan a las cargas en movimiento y fomentan que la energía se disipe como calor. El equipo diseñó un nuevo aceptor, llamado S-Cb, cuyas cadenas laterales incluyen un pequeño anillo tenso de cuatro carbonos llamado ciclobutano. Este anillo es relativamente rígido y plano, por lo que rigidiza la molécula y desplaza sutilmente el empaquetamiento de los materiales en una película.

Silenciando la energía desperdiciada dentro de la película

Para comprobar si el diseño más rígido realmente ayudaba, los investigadores compararon la emisión y la absorción de luz de S-Cb con un aceptor de última generación llamado L8-BO. Mediciones en disolución y en películas delgadas mostraron que S-Cb pierde ligeramente menos energía al relajarse los estados excitados, y su espectro de emisión es más estrecho, ambos signos de que hay menos vías vibracionales disponibles para que las cargas disipen energía. La temperatura de transición vítrea de S-Cb es más alta, lo que indica un material más rígido. Estudios por rayos X también revelaron que S-Cb forma capas más ordenadas, y la calorimetría mostró que tiene una mayor tendencia a cristalizar. En conjunto, estas pruebas indican que el anillo ciclobutil hace el material más rígido y mejor organizado, lo que debilita el acoplamiento no deseado entre electrones y vibraciones moleculares.

Permitendo que las moléculas se abrochen entre sí

El comportamiento más llamativo surgió cuando S-Cb se mezcló con L8-BO en un dispositivo ternario que también contenía el polímero D18. Simulaciones por ordenador y análisis cristalográficos mostraron que cuando S-Cb y L8-BO están presentes en cantidades iguales, sus distintas cadenas laterales pueden encajarse en una disposición de “abrochado”. El anillo casi planar del ciclobutil en S-Cb se introduce en las cadenas laterales bifurcadas de L8-BO, retenido por numerosos contactos débiles basados en hidrógeno. Este abrochamiento intermolecular atrae a las moléculas hacia una fase aceptora compacta y altamente uniforme, similar a una aleación. En este estado, los espacios libres en la película se reducen, el movimiento molecular queda restringido y los cálculos muestran que tanto la reorganización vibracional como la atracción entre electrones y huecos disminuyen, lo que ayuda a que las cargas se separen y viajen en lugar de recombinarse.

Convirtiendo la estructura en mejor rendimiento

Las células solares construidas solo con S-Cb ya tuvieron buen desempeño, alcanzando casi un 19,6% de eficiencia de conversión de potencia, similar a las células basadas únicamente en L8-BO. Cuando los dos aceptores se mezclaron con D18, el rendimiento dependió fuertemente de la proporción de mezcla. En una mezcla 1:1 de S-Cb y L8-BO, donde el efecto de abrochado es más fuerte, las células alcanzaron un 20,93% de eficiencia, con un valor certificado del 20,74%. Pruebas ópticas y eléctricas detalladas mostraron que en ese punto dulce los dispositivos combinan fuerte absorción de luz, transporte de carga equilibrado, recombinación más lenta y pérdidas de energía no radiativas menores. Microscopía a nanoescala confirmó una red finamente entrelazada de regiones donantes y aceptoras con tamaños de dominio bien emparejados, lo que favorece tanto la división de excitones como la extracción de cargas.

Qué significa esto para futuros paneles solares

Para un público no especializado, el mensaje clave es que cambios minúsculos en las cadenas laterales de moléculas orgánicas pueden tener un impacto desproporcionado en cómo se mueven las cargas en una célula solar. Al añadir un pequeño anillo rígido, los investigadores crearon moléculas que no solo vibran menos, sino que también abrochan a sus vecinas en una red ordenada, reduciendo el calor desperdiciado y ayudando a que las cargas escapen. Esta estrategia de “abrochado molecular” elevó las células solares orgánicas flexibles a casi un 21% de eficiencia, sugiriendo una vía de diseño práctica hacia paneles delgados y ligeros que se acercan al rendimiento de los mejores dispositivos de silicio actuales, ofreciendo a la vez mucha mayor versatilidad en dónde y cómo pueden utilizarse.

Cita: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

Palabras clave: células solares orgánicas, cadenas laterales ciclobutil, interacciones supramoleculares, reducción de pérdidas de energía, mezclas fotovoltaicas ternarias