Simulaciones fotodinámicas de materiales para celdas solares orgánicas

Abstract

Para lograr un verdadero desarrollo sostenible y amigable con el medio ambiente resulta imperioso el abandono de los sistemas productivos dependientes exclusivamente de combustibles fósiles no renovables y la consecuente diversificación de la matriz energética a nivel mundial. Esta diversificación debe involucrar necesariamente el uso de fuentes de energías renovables tales como: eólica, hidroeléctrica, solar, biomasa, etc. En particular, la energía solar representa un altísimo potencial para su aprovechamiento como fuente de calor en artefactos termosolares o incluso para la generación de corriente eléctrica en dispositivos fotovoltaicos. El desarrollo de nuevas y mas eficientes tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar serán claves para esta transición energética hacia un modelo de desarrollo sostenible. En este sentido, las celdas solares orgánicas representan un campo de investigación muy dinámico en la actualidad con alentadores proyecciones para el futuro. Esto se debe a su bajo costo de producción, potencial bajo impacto ambiental, sus propiedades plásticas y la infinita combinación de materiales que ofrece la química organica. Por otro lado, la dinámica cuántica electrónica representa una poderosa herramienta para el estudio de la interacciona de la materia con la luz. Permite estudiar, determinar y predecir las propiedades ópticas y electrónicas de un material como su espectro de absorción óptica y su capacidad de generar procesos de transferencia de carga. Tomando la necesidad de desarrollo del campo de las celdas solares orgánicas y aprovechando la experiencia en dinámica cuántica electrónica del grupo, en esta tesis se planteó el uso de la técnica TD-DFTB para realizar un estudio computacional sobre las propiedades optoelectrónicas de materiales para este tipo de celdas. Los agregados moleculares representan las unidades fundamentales de la capa activa de las celdas solares orgánicas actuales. A partir de la evidencia presentada en un trabajo experimental, se estudiaron los espectros de absorción de moléculas orgánicas que forman parte de nano fibrillas orgánicas. Se estudió el mecanismo de transferencia de carga foto inducido en estas nano estructuras moleculares no covalentes y se demostró que las cadenas alquílicas funcionan como un cable molecular que sintoniza la transferencia electrónica interracial. Se demuestra que las cadenas alquílicas cumplen un rol fundamental en el proceso de transferencia de carga en estos sistemas. Por otro lado, se propuso un nuevo sistema formado por un nano diamante hidrogenado que interactúa con una molécula aceptara. El sistema muestra una transferencia de carga ultrarrápida en la escala de unas pocas decenas de fs después de la foto excitación del aceptor. Algo inusual del sistema es que luego del proceso de transferencia de carga, el sistema alcanza un estado estacionario estable que muestra una separación de carga extremadamente eficiente. Dada la rapidez con la que se alcanza este estado de separación de carga en el proceso y que el método no contempla el movimiento nuclear, se propone un mecanismo nuevo de transferencia de carga en el que se encuentra involucrado un reordenamiento puramente electrónico. Finalmente se presentaron simulaciones de dinámica electrónica en sistemas periódicos realizadas por primera vez en el grupo. Los sistemas aquí estudiados fueron nano cintas de grafeno sensibilizadas con monocapas de moléculas aceptoras o donoras. La motivación fue reproducir los experimentos sobre sensibilización de grafeno con monocapas de colorantes. Estos sistemas representan una potencial nueva arquitectura de celdas solares orgánicas en las que es posible el control nano morfológico de la capa activa.