En el año 1977 algunos investigadores sorprendieron al mundo revelando que ciertos materiales plásticos -y por lo tanto siempre considerados aislantes de corriente eléctrica-, podían bajo ciertas condiciones convertirse en conductores y ser capaces por tanto de conducir una corriente entre dos puntos a priori separados por un aislante [1]. Nacieron entonces los plásticos semiconductores y su descubrimiento fue recompensado con el premio Nóbel en Química en el año 2000 [2]. Un nuevo campo de investigación surgió a partir del descubrimiento de la conductividad en este tipo de materiales, ya que combinan por un lado las propiedades mecánicas tradicionalmente asociadas a plásticos –transparencia, flexibilidad, etc.- con las propiedades optoelectrónicas asociadas a los semiconductores tradicionales derivados del silicio. Pero quizás resulta más interesante el hecho de poder manipular la estructura química del compuesto para tener propiedades de emisión o absorción a la carta [3] (Figura 1).

La enorme gama de diferentes posibilidades que ofrecen este tipo de materiales no ha pasado desapercibida por los grandes fabricantes de aplicaciones electrónicas, y a día de hoy podemos encontrar ya entre sus catálogos productos que incorporan tecnología orgánica (tanto con plásticos semiconductores, como con moléculas orgánicas) en sus pantallas. Epson, por ejemplo, oferta una televisión de 40 pulgadas extraplana donde la calidad de la imagen no se ve afectada por el ángulo de visión, además de ofrecer mayor nitidez y contraste [4]. Philips ha incorporado OLEDs (diodos emisores de luz orgánicos) basados en ICPs a las pantallas de información en sus máquinas de afeitar [5], y son numerosos los fabricantes de reproductores mp3 que también incorporan esta tecnología en sus pantallas [6][ 7].

La tecnología fotovoltaica no ha sido en absoluto ajena a la introducción de estos materiales en la actividad investigadora (Figura 2), En 1986 ser demostró por primera vez el efecto fotovoltaico en materiales orgánicos[10]. Los primeros materiales utilizados para estos fines eran todavía difíciles de procesar –requerían costosas y delicadas evaporaciones en ultra vacío-, y sobre todo las eficiencias conseguidas eran muy bajas. Sucesivos avances llevaron a que en el año 1990 se publicase el primer trabajo sobre dispositivos optoelectrónicos basados en ICPs [11]. Poco más tarde se publicaría también la primera demostración de una célula fotovoltaica construida íntegramente con materiales poliméricos semiconductores[12]. Estos materiales son solubles en disolventes orgánicos y se procesan desde la disolución, abaratando ostensiblemente el coste de producción, comparado con el del silicio. Es posible entonces pensar en aplicaciones tan innovadoras e interesantes como ventanas transparentes fotovoltaicas que alimenten de energía a la vivienda y que adicionalmente puedan oscurecerse o aclararse acorde con la luminosidad exterior –electrocromismo-, cargadores plegables y fáciles de transportar para dispositivos electrónicos –teléfonos móviles, ordenadores portátiles, PDAs, etc-, ó tejidos fotovoltaicos para tiendas de campaña o similares [13]

El giro de la tecnología electrónica hacia la miniaturización, junto con el avance de diferentes técnicas Electroquímicas, ha dado lugar a un nuevo campo de trabajo; la Nanotecnología. Mediante estas técnicas es posible fabricar estructuras de diferentes materiales a escala nanométrica (10-9 m), o incluso partículas aisladas de dimensiones similares, impensables tan sólo hace unos años. Los nanocristales coloidales son partículas a escala nanométrica con estructura cristalina ypropiedades optoelectrónicas similares a los materiales semiconductores de los cuales proceden, sin embargo dichas propiedades dependen en gran medida del tamaño del nanocristal. La utilización conjunta de materiales nanoestructurados y polímeros semiconductores es de gran interés para la construcción de dispositivos fotovoltaicos, ya que variando el proceso de síntesis se pueden conseguir nanoestructuras de 2-12 nm que, además de contribuir a disociar los excitones fotogenerados y transportar los electrones hasta el electrodo negativo, controlan la absorción de la célula. La gran variedad de materiales a utilizar, así como las diferentes formas de las nanoestructuras que se pueden fabricar, hacen que sea ésta una de las tecnologías en las que cabe esperar mayor desarrollo de eficiencias en los próximos año.

En resumen, materiales plásticos similares a los que nos rodean en nuestra vida cotidiana, tienen la habilidad de convertir energía solar en energía eléctrica. Este proceso tiene lugar a través de cuatro pasos intermedios: 1) Absorción de luz y creación de pares de carga positivo-negativos, ligados a temperatura ambiente por fuerzas de origen coulombiano –excitones-. 2) Creación de portadores de carga libres, positivos y negativos, a través del fenómeno de transferencia de carga entre materiales con diferentes propiedades eléctricas. 3) Transporte de las cargas a través de los diferentes materiales evitando que se recombinen. 4) Recolección de las cargas en los electrodos metálicos opuestos generando así una corriente eléctrica entre estos dos puntos.

Con el propósito de maximizar la eficiencia de una célula solar, se pueden utilizar conjuntamente nanocristales inorgánicos y polímeros semiconductores con el objetivo de: i) Optimizar la absorción y ajustarla en el mayor grado posible al espectro de emisión solar. ii) Facilitar la disociación de excitones mediante la inclusión de múltiples heterouniones internas nanocristal-polímero, semejantes a uniones p-n. iii) Aprovechar su mayor movilidad de portadores de carga para transportar los electrones hasta los contactos metálicos sin recombinarse con los portadores de carga positivos que viajan por la fase polimérica del film.

Existen diferentes diseños a la hora de fabricar células solares orgánicas. En todos ellos se utiliza una estructura de tipo sándwich (Figura 3), con el material semiconductor colocado entre dos conductores, uno transparente –óxidos de estaño dopado- y otro opaco –aluminio, plata, oro, etc.-. Las principales clases de células fotovoltaicas orgánicas son:

• Dye sensitized solar cells (DSC) o también denominadas células de Grätzel: Estas células utilizan unos productos aditivos o pigmentos –dyes- que absorben mucha luz y transfieren rápidamente el electrón a un óxido nanoestructurado como puede ser TiO2 (Figura 3). Para hacer este proceso reversible y seguir absorbiendo luz, debe ser extraído el hueco que permanece en el dye. Esta tarea es realizada por un agente redox ó electrolito líquido como por ejemplo (I -/I3-)[15]. Eficiencias cercanas al 11 % son actualmente las cotas más altas que se han alcanzado. .
• Células multicapa. Sucesivas capas de diferentes materiales semiconductores son secuencialmente depositadas con el propósito de maximizar la intensidad del campo óptico en las zonas donde se fotogeneran las cargas; optimizando así tanto la absorción, como la disociación de los excitones (Figura3). A la vez se pretende minimizar los posibles daños que la evaporación de metales podría causar en el film activo, disminuyendo la longitud de difusión de los excitones. Con este método se han conseguido eficiencias de 5.7 % [18].
• Células con múltiples heterouniones orgánicas internas: Dos materiales poliméricos inmiscibles entre sí, con diferentes afinidades electrónicas y potenciales de ionización, se mezclan en la misma disolución y a partir de ella, por evaporación del disolvente, se forma una fina película con dominios de ambos materiales a escala nanométrica para así optimizar tanto el proceso de disociación de excitones, como el transporte de carga hasta los electrodos (Figura 3). Las eficiencias más altas publicadas sobrepasan ya el 3 %[19], aunque algunos laboratorios aseguran haber medido rendimientos de 4-5 %[20].
• Células híbridas organo-inorgánicas: Estas células funcionan de una forma muy similar a las descritas en el apartado anterior. El papel de aceptar los electrones y transportarlos hasta su respectivo electrodo le corresponde en este caso a materiales inorgánicos con un gran band gap como TiO2 ó ZnO. Nanoestructurar estos materiales en forma de nanoporos o nanocables (de unas dimensiones similares a la longitud de difusión de los excitones, 10 nm) sobre el sustrato es crucial para garantizar un transporte efectivo de carga. Posteriormente el polímero se deposita desde la disolución sobre esta nanoestructura (Figura 7). Aunque las eficiencias de estos dispositivos son actualmente bajas (~0.5 %[21]), , se sabe que el control de la interfase entre los materiales es la clave para mejorar. Por lo tanto, un óptimo control del proceso de crecimiento de las nanoestructuras podría dar lugar a células solares de elevadas eficiencias (>10 %). Alternativamente, es posible mezclar nanocristales de semiconductores tradicionales, como CdSe con polímeros conjugados en disolución para formar filmes fotovoltaicos. En este caso, los dos materiales contribuyen a la absorción de luz y adicionalmente, dicha absorción puede ser controlada a través del tamaño de los nanocristales[22]. Como en el caso anterior, el proceso de crecimiento de dichos nanocristales además de las superficies de contacto entre el polímero y el nanocristal son la base para un buen funcionamiento del dispositivo. Las mejores eficiencias obtenidas mediante esta técnica se sitúan actualmente entorno al 1.5 %[23].

Debido a la versatilidad, facilidad de procesado y sobre todo coste de fabricación, estos materiales multifuncionales dan origen a un sinfín de aplicaciones fotovoltaicas impensables hace unos años. El avance imparable de la nanotecnología y el desarrollo de nuevas técnicas electroquímicas ha hecho viable la incorporación de materiales nanoestructurados a dispositivos orgánicos mejorando así su eficiencia.

Se define eficiencia o rendimiento de una célula solar como el cociente entre la energía eléctrica resultante y la energía luminosa incidente. En otras palabras, el número de electrones recogidos en los electrodos por fotón incidente, bajo unas condiciones de luminosidad estándar. Las eficiencias medidas en laboratorio para celdas de silicio monocristalino se aproximan al 24%, sin embargo para los módulos comerciales están en torno al 12%. Los datos citados en el texto se refieren al año 2005; el progreso en efic iencias es constante.

[1] C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, A. G. MacDiarmid. Phys. Rev. Lett. 39, 1098 (1977).

[2]http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2000/index.html

[3] M. Kreyenschmidt, G. Klaener, T. Fuhrer, J. Ashenhurst, S. Karg, W. D. Chen, V. Y. Lee, J. C. Scott and R. D. Miller. Macromolecules. 31, 1099 (1998)

[4]http://www.epson.co.jp/e/newsroom/news_2004_05_18.htm

[5]http://www.research.philips.com

[6]http://www.tecooled.com.tw

[7]http://www.sunsiberica.com/

[8]http://www.ipc.uni-linz.ac.at/os/research.html

[9]http://www.cdltd.co.uk

[10] C. W. Tang. Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986).

[11] J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown, R. N. Marks, K. Mackay, R. H. Friend, P. L. Burns and A. B. Holmes. Nature. 356, 6364 (1992).

[12] N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger and F. Wudl. Science. 258, 1474 (1992).

[13]http://www.konarka.com

[15] M. Grätzel. Nature. 414, 338 (2001).

[16] L. Schmidt-Mende, S. M. Zakeeruddin and M Grätzel. Appl. Phys. Lett. 86, 1 (2005)

[17] P. Ravirajan, S. A. Haque, J. R. Durrant, D. Poplavskyy, D. D. C. Bradley and J. Nelson.J. Appl. Phys.95, 1473 (2004).

[18] J. Xue, S. Uchida, B. P. Rand and S. R. Forrest. Appl. Phys. Lett. 86, 5757 (2005).

[19] F. Padinger, R. S. Rittberger, N. S. Sariciftci. Adv. Func. Mat. 13, 85 (2003).

[20] P. Fairly. Technol. Rev. (July/August) 35 (2004).

[21] K. M. Coakley and M. D. McGehee. Appl. Phys. Lett. 83, 3380 (2003).

[22] M. A. Green. Prog. Photovoltaics. 9, 137 (2001).

[23] B. E. Sun, E. Marx and N. C. Greenham. Nano Lett. 3, 961 (2003).

[24] S. A. MacDonald et al. Nature Materials. 4, 118 (2005)..