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Nueva ecuación podría avanzar la investigación de materiales para células fotoeléctricas

ANN ARBOR, Michigan.—Una ecuación que es a la vez nueva e innovadora, desarrollada en parte por los investigadores de la Universidad de Michigan podría hacer para los semiconductores orgánicos lo que la ecuación de Shockley del diodo ideal hizo para los semiconductores inorgánicos: ayudar en su adopción más amplia. Sin la ecuación de Shockley no serían posibles las computadoras del presente.

Desarrollada en 1949 por William Shockley, el inventor del transistor, la ecuación de Shockley describe la relación entre la corriente eléctrica y el voltaje en los semiconductores inorgánicos tales como el silicio.

La nueva ecuación describe la relación de la corriente con el voltaje en los cruces o empalmes de los semiconductores orgánicos, es decir los compuestos ricos en carbono que no provienen, necesariamente, de una fuente biológica pero se asemejan mucho a ellas. Los semiconductores orgánicos presentan problemas especiales para los investigadores porque son más desordenados que sus contrapartes inorgánicas. Pero podrían permitir el desarrollo de células fotovoltaicas avanzadas, pantallas finas e intensas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED por su sigla en inglés), e iluminación de alta eficiencia.

“El campo de la investigación en los semiconductores orgánicos está todavía en su infancia. No estamos haciendo con ellos circuitos complicados, todavía, pero para hacerlos algún día necesitamos conocer la relación precisa de corriente y voltaje. Nuestra nueva ecuación nos da un conocimiento fundamental de cómo se mueve la carga en esta clase de materiales. Desde mi perspectivas éste es un avance muy significativo”, dijo Steve Forrest, Profesor Colegiado de la Cátedra William Gould Dow de Ingeniería Eléctrica y vicepresidente de investigación en la UM.

Forrest y sus estudiantes doctorados Noel Giebink (ahora en los Laboratorios Nacionales Argonne), y Brian Lassiter, del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia de Computadoras de la UM, contribuyeron a esta investigación. Dos artículos sobre este trabajo se publican en la edición actual de la revista Physical Review B.

Hace aproximadamente seis años los investigadores en el laboratorio de Forrest se dieron cuenta de que podían usar la ecuación de Shockley para describir la relación de corriente a voltaje en sus células fotovoltaicas orgánicas hasta cierto grado.

“Se aplicaba bien, si uno no miraba los detalles”, dijo Forrest.

Sus conclusiones se publicaron y desde entonces muchos físicos e ingenieros usaron la ecuación de Shockley para los semiconductores orgánicos aún cuando ésta no describía perfectamente las cualidades físicas de los semiconductores orgánicos. La nueva ecuación las describe.

Forrest dijo que permitirá que los investigadores describan mejor y pronostiquen las propiedades de los diferentes semiconductores orgánicos con los que trabajan. Y, de esa manera, podrán elegir con más eficiencia cuáles materiales se adecuan mejor a las necesidades del aparato en el cual trabajan.

“Se ha estado investigando los semiconductores por setenta u ochenta años pero recién ahora entramos en el mundo de las aplicaciones”, dijo Forrest. “Este trabajo ayudará a avanzar en ese terreno”.

Los artículos se titulan: “The Ideal Diode Equation for Organic Heterojunctions. I. Derivation and Application” y “The Ideal Diode Equation for Organic Heterojunctions. II. The Role of Polaron Pair Recombination”.

Forrest es también profesor en el Departamento de Física, y en Ciencia e Ingeniería de Materiales. Otros contribuyentes a este trabajo están afiliados con el Centro para Materiales de Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, y la Universidad Nortwestern.

Esta investigación la financió, en parte, la Oficina de Ciencias Básicas de energía, del Departamento de Energía, mediante el Centro de la UM para la Conversión de Energía Solar y Térmica, y el Centro de Investigación de Energía Solar de Argonne y Northwestern.

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