Células solares orgánicas híbridas con nanopartículas semiconductoras rodeadas de modificaciones de la superficie fotoactivos.

Célula solar que contiene al menos una nanopartícula semiconductora rodeada por al menos un materialtensioactivo fotoactivo en al menos una parte de la capa fotoactiva,

a) siendo las nanopartículas semiconductoras semiconductores compuestos de los grupos II-IV o III-V y mezclasde los mismos, caracterizada porque

b) el al menos un material tensioactivo fotoactivo

i. comprende un material conductor de tipo de tipo n de acuerdo con la fórmula:

en la que R1, R2, R3 y R6 están seleccionados, independientemente entre sí, del grupo que consiste enhidrógeno, alquilo, alcoxi, R4 es un enlace sencillo y/o una unidad de alquileno y R5 está seleccionado entreel grupo compuesto por carboxilato, aminas, tioles, fosfato y sulfato o

ii. un material conductor de tipo de tipo n de acuerdo con la fórmula:

en la que R1 y R4 están seleccionados, independientemente entre sí, entre el grupo compuesto porhidrógeno, alquilo, alcoxi, R2 es un enlace sencillo y/o una unidad de alquileno y R3 está seleccionado entreel grupo compuesto por carboxilato, aminas, tioles, fosfato y sulfato.

Células solares orgánicas híbridas con nanopartículas semiconductoras rodeadas de modificadores de la superficie fotoactivos La presente invención se refiere al campo de las células solares, en particular de las células solares orgánicas híbridas.

Este tipo de células solares son conocidas, entre otras cosas, por el documento US 6.878.871. En este documento se describe una célula solar en la que están dispuestas nanopartículas semiconductoras en la capa fotoactiva.

En el documento EP 1 473 745 A se describen células solares revestidas con tinta, en las que la tinta es un complejo anfífilo de rutenio-polipiridilo y sobre las que está coadsorbido adicionalmente un estabilizante, cuya estructura molecular presenta una parte hidrófoba y un grupo de anclaje. El revestimiento de tinta y el estabilizante coadsorbido están aplicados sobre la capa de óxido de metal semiconductora del fotoánodo.

L. Schmidt-Mende y col. describen en “Efficiency improvement in solid-state-dye-sensitized photovoltaics with an amphiphilc Ruthenium-dye” publicado en Appl. Phys. Lett. 86 (2004) también revestimientos de tinta, presentando las tintas propiedades anfífilas.

En el documento WO 2004/022714 A se describen otras composiciones que tienen la capacidad de cambiar el transporte de carga a través de una superficie nanocristalina o a través de una matriz que contiene nanocristales. Tal composición se puede usar en células solares de acuerdo con el documento WO 2004/022714 A.

Sin embargo, estas y otras células solares similares del estado de la técnica poseen a menudo solo una eficiencia de potencia insatisfactoria. Esto se debe entre otras cosas a que ha resultado problemático separar rápidamente los excitones (par electrón-hueco unido) generados por absorción de fotones mediante una transferencia de cargas eficaz en la interfaz nanopartícula/ polímero para evitar una recombinación dentro de la célula solar, que reduce la potencia.

De este modo se propone el objetivo de crear una célula solar orgánica híbrida que presente una mayor eficiencia de potencia con las demás propiedades al menos no significativamente empeoradas, preferentemente incluso iguales o mejoradas.

Para alcanzar este objetivo se proporciona una célula solar de acuerdo con la reivindicación 1 de la presente invención.

Por estar rodeadas las nanopartículas semiconductoras al menos de un material tensioactivo de acuerdo con la reivindicación 1 se pudo constatar en un amplio campo de aplicaciones de la presente invención un aumento de la eficiencia claramente mayor, lo que, sin limitarse a una teoría de este tipo, se debe a una separación de cargas mejorada en la interfaz entre nanopartícula y matriz orgánica semiconductora, por ejemplo un polímero semiconductor, dentro de la capa fotoactiva de la célula solar. Por “fotoactivo” en el sentido de la presente invención se entiende en particular que se absorbe luz por la generación de excitones.

Por “material tensioactivo” en el sentido de la presente invención se entiende en particular un material que se compone esencialmente de moléculas que presentan un grupo de cabeza (por ejemplo, pero sin limitación, un grupo carboxilo, amino, tiol, fosfato o sulfato) y un grupo de cola apolar.

Por “material tensioactivo fotoactivo” en el sentido de la presente invención se entiende en particular que el al menos un material tensioactivo posee un orbital molecular superior ocupado (HOMO) así como un orbital molecular inferior desocupado (LUMO) , cuyo estado energético es tal, que sea posible la separación de los portadores de carga generados por absorción de luz en la nanopartícula semiconductora y/o en la matriz orgánica circundante (correspondiente a lo que se denomina en la tecnología de semiconductores transición de tipo II) . En muchas aplicaciones de la presente invención se mejoró adicionalmente, debido a las propiedades del agente tensioactivo relativas a la conductividad de huecos y/o electrones, la separación de cargas de los excitones que se generan por absorción de luz dentro de las nanopartículas y/o en la matriz orgánica circundante, por ejemplo un polímero semiconductor.

En la interfaz de una transición de tipo II, el material con el LUMO energéticamente inferior también se denomina aceptor, y el material con el HOMO energéticamente superior, donador.

Por “nanopartículas semiconductoras” en el sentido de la presente invención se entienden materiales inorgánicos que están configurados de forma esencialmente cristalina o aproximadamente cristalina, poseen una banda prohibida de ≥ 0, 5 a ≤ 3, 5 eV y presentan como media una expansión dimensional característica en el intervalo de ≥ 1 nm a ≤ 50 nm, preferentemente de ≥ 1, 5 nm a ≤ 40 nm, con especial preferencia de ≥ 2 nm a ≤ 30 nm. Por expansión dimensional característica se entiende en el sentido de la presente invención la dimensión de las nanopartículas que es determinante para sus propiedades fisicoquímicas. Ésta es en el caso de partículas esféricas el diámetro, en el caso de partículas alargadas, por ejemplo varillas, el diámetro de las varillas y en el caso de

partículas de múltiples brazos, el diámetro de los brazos.

Las nanopartículas semiconductoras de acuerdo con la invención de acuerdo con la reivindicación 1 del grupo de los semiconductores compuestos II-VI o III-V (por ejemplo CdSe, CdTe, InP) y mezclas de ellos tienen las propiedades anteriormente mencionadas.

Según una forma de realización preferida de la presente invención, el al menos un material tensioactivo fotoactivo contiene un material conductor de tipo p y de tipo n.

Según una forma de realización preferida de la presente invención, la densidad de ocupación de la superficie de las nanopartículas semiconductoras con al menos un material tensioactivo fotoactivo asciende a entre ≥ 50 % y ≤ 100 %, con especial preferencia a entre ≥ 80 % y ≤ 100 %, con muy especial preferencia a entre ≥ 95 % y ≤ 100 %.

Una densidad de ocupación del 100 % significa en especial que la matriz orgánica circundante no está en contacto directo con las nanopartículas semiconductoras.

Las proporciones molares de los materiales conductores de tipo p y/o de tipo n en el material tensioactivo fotoactivo pueden variar entre el 0 % y el 100 %, aunque preferentemente entre el 20 % y el 80 %. Con especial preferencia, la relación entre las proporciones molares de los materiales conductores de tipo p y de tipo n en el material tensioactivo fotoactivo es inversamente proporcional a la relación de la absorción (densidad óptica) de los componentes conductores de tipo p y de tipo n de toda la célula solar según la fórmula nan σ n

p = A⋅⋅

naσ

n pp

en la que np representa la cantidad molar del material conductor p, nn la cantidad molar del material conductor de tipo n en el material tensioactivo fotoactivo, de forma correspondiente, an o p representa la absorción del material n conductor de tipo n o de tipo p de la célula solar y σn o p la conductividad del material tensioactivo fotoactivo conductor de tipo n y de tipo p y en la que el factor A asciende a entre ≥ 0, 05 y ≤ 20, preferentemente entre ≥ 0, 5 y ≤ 1, 5 y con especial preferencia entre ≥ 0, 8 y ≤ 1, 2. De este modo se puede mejorar en muchas aplicaciones de la presente invención la eficacia del transporte de los portadores de carga en la dirección conveniente (los electrones en dirección de los semiconductores de tipo n, los huecos en dirección de los semiconductores tipo p) .

En el caso de que, por ejemplo, el polímero conductor de tipo p presente una absorción mayor, se desea, según una forma de realización preferida de la presente invención, que se intensifique la transición de los electrones hacia la nanopartícula semiconductora conductora de tipo n, y por ello ha de preferirse una proporción mayor de material tensioactivo fotoactivo conductor de tipo n. En el caso de que el polímero conductor de tipo p posea una absorción menor que las nanopartículas semiconductoras conductoras de tipo n, ocurre lo contrario, según una forma de realización preferida de la presente invención. Según una forma de realización preferida de la presente invención, se ha de proceder de forma análoga en el caso de que el polímero sea conductor de tipo n y las nanopartículas semiconductoras sean conductoras p.

Según una forma de realización preferida de la presente invención, las nanopartículas semiconductoras están incorporadas en una matriz orgánica fotoactiva.

Por “matriz” orgánica fotoactiva en... [Seguir leyendo]

1. Célula solar que contiene al menos una nanopartícula semiconductora rodeada por al menos un material tensioactivo fotoactivo en al menos una parte de la capa fotoactiva,

a) siendo las nanopartículas semiconductoras semiconductores compuestos de los grupos II-IV o III-V y mezclas de los mismos, caracterizada porque b) el al menos un material tensioactivo fotoactivo i. comprende un material conductor de tipo de tipo n de acuerdo con la fórmula:

en la que R1, R2, R3 y R6 están seleccionados, independientemente entre sí, del grupo que consiste en hidrógeno, alquilo, alcoxi, R4 es un enlace sencillo y/o una unidad de alquileno y R5 está seleccionado entre el grupo compuesto por carboxilato, aminas, tioles, fosfato y sulfato o ii. un material conductor de tipo de tipo n de acuerdo con la fórmula:

en la que R1 y R4 están seleccionados, independientemente entre sí, entre el grupo compuesto por 15 hidrógeno, alquilo, alcoxi, R2 es un enlace sencillo y/o una unidad de alquileno y R3 está seleccionado entre el grupo compuesto por carboxilato, aminas, tioles, fosfato y sulfato.

2. Célula solar según la reivindicación 1, en la que la densidad de ocupación de la superficie de las nanopartículas semiconductoras asciende como media a entre ≥ 50 % y ≤ 100 %.

3. Célula solar según una de las reivindicaciones 1 o 2, en la que las nanopartículas semiconductoras están 20 incorporadas en una matriz fotoactiva.

4. Célula solar según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la relación volumétrica VA entre las nanopartículas semiconductoras y el material tensioactivo circundante con respecto a la capa fotoactiva V

nano + Vtensioactivo VA =

Vcapa activa asciende a ≥ 0, 1, preferentemente a entre ≥ 0, 2 y ≤ 0, 74, y con más preferencia a entre ≥ 0, 35 y ≤ 0, 6.

5. Célula solar según una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el material tensioactivo comprende también un material conductor de tipo de tipo p y la movilidad dentro del material tensioactivo asciende a entre ≥ 0, 001 cm2/Vs y ≤ 10 cm2/Vs.

6. Célula solar según una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el material tensioactivo comprende un material conductor de tipo n y la movilidad dentro del material tensioactivo asciende a entre ≥ 0, 00001 cm2/Vs y ≤ 10 cm2/Vs.

7. Célula solar según una de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el material tensioactivo comprende al menos un material con una solubilidad de ≥ 10 g/l a ≤ 400 g/l en al menos un disolvente con un valor ET de ≥ 30 a ≤ 42.

8. Célula solar según una de las reivindicaciones 5 a 7, en la que el material tensioactivo comprende al menos un

primer material conductor de tipo p y al menos un segundo material conductor de tipo n y la relación de mezcla entre 5 el material conductor de tipo p y el material conductor de tipo n asciende a entre 0, 2:1 y 4:1.

9. Célula solar según una de las reivindicaciones 5 a 8, en la que la relación entre las proporciones molares de los materiales conductores de tipo p y de tipo n en el material tensioactivo fotoactivo es inversamente proporcional a la relación de la absorción (densidad óptica) de los componentes conductores de tipo p y de tipo n de toda la célula solar según p

nan σ n

= A⋅⋅ ,

naσ

n pp

en la que np representa la cantidad molar del material conductor de tipo p, nn la cantidad molar del material conductor de tipo n en el material tensioactivo fotoactivo, de forma correspondiente an o p representa la absorción del material n conductor de tipo n o de tipo p de la célula solar y σn o p la conductividad del material tensioactivo fotoactivo conductor de tipo n y de tipo p y en la que el factor A asciende a entre ≥ 0, 05 y ≤ 20.

10. Uso de una célula solar según una o varias de las reivindicaciones 1 a 9 para aplicaciones electrónicas portátiles, para el aprovechamiento en el sector del automóvil para la generación de corriente para diversos consumidores eléctricos, para el aprovechamiento de células solares semitransparentes en el acristalamiento de edificios, invernaderos o automóviles, en relojes, objetos de diseño, para el aprovechamiento de una célula solar de este tipo en forma de una hoja totalmente flexible y configurable a voluntad, para la obtención estacionaria de energía en forma de módulos sobre tejados y paredes o de hojas, para la incorporación en prendas de vestir.