Las células solares orgánicas prometen una energía fotovoltaica ligera, flexible y de bajo coste. Pero para que esa promesa se cumpla hace falta entender qué ocurre, a escala microscópica, cuando la carga eléctrica se mueve por dentro del dispositivo. En esta línea se enmarca el último trabajo del grupo de investigación Poli-Nano de la Universidad Miguel Hernández de Elche (UMH), publicado en la revista científica Synthetic Metals (Q2) bajo el título «Modulation of the energetic landscape and hole transport in organic solar cells via secondary solvent additives: A quantitative SCLC analysis» (DOI: 10.1016/j.synthmet.2026.118271).
El estudio analiza cómo tres disolventes polares, DMF, THF y DMSO, modifican una de las capas más importantes de estas células, la que transporta los huecos (las cargas positivas) hacia el electrodo. Los resultados muestran que el factor decisivo no es cuántos defectos tiene esa capa, sino cómo están distribuidos energéticamente. Aunque se trata de investigación básica sobre un sistema modelo, la metodología propuesta permite diagnosticar el transporte de carga en dispositivos completos y en funcionamiento.
Figura 1. Ilustración conceptual de la célula solar orgánica estudiada (ITO / PEDOT:PSS + codisolvente / P3HT:PCBM / Al) y de los tres disolventes polares (DMF, THF y DMSO) mezclados con la capa transportadora de huecos. Imagen esquemática, no a escala.
Una capa pequeña con mucha responsabilidad
El PEDOT:PSS es el polímero conductor de referencia como capa transportadora de huecos en electrónica orgánica. Es transparente, se procesa con agua y sus propiedades eléctricas se pueden ajustar. Sin embargo, contiene un exceso de PSS, una fase aislante que rodea a las cadenas conductoras de PEDOT y limita su conductividad.
Desde hace años se sabe que añadir disolventes polares, el llamado «dopado secundario», reorganiza la estructura del material. El problema es que la mayoría de los estudios evalúan esos cambios sobre películas aisladas, no dentro de una célula solar real. Esta investigación da el paso contrario: estudia el efecto de los disolventes dentro del dispositivo completo.
Una forma distinta de «mirar» dentro de la célula
Para que los resultados fueran comparables, el equipo eligió un sistema muy conocido y reproducible: la mezcla P3HT:PCBM como capa activa. Así, cualquier cambio observado podía atribuirse a la capa de PEDOT:PSS y no a la capa activa.
Sobre sustratos de vidrio con ITO se depositaron mezclas de PEDOT:PSS con DMF, THF o DMSO en distintas proporciones, hasta 16 formulaciones más un dispositivo de referencia sin disolvente. Después se añadió la capa activa y un contacto de aluminio de 100 nm. Todos los dispositivos se caracterizaron con un simulador solar (AM1.5G, 1000 W·m⁻²).
La novedad está en el método de análisis. En lugar de fabricar dispositivos especiales de un solo tipo de portador, los investigadores aplicaron el formalismo de la corriente limitada por carga espacial (SCLC) directamente sobre las células solares completas, midiendo la corriente en oscuridad. Con suficiente tensión directa, la inyección de huecos domina y el dispositivo se comporta, a efectos comparativos, como uno de «solo huecos». Los autores subrayan que este enfoque no pretende obtener la movilidad absoluta del material, sino una referencia relativa y coherente entre dispositivos.
El THF marca la diferencia
El mejor resultado lo obtuvo el dispositivo THF_03. Respecto a la referencia, la densidad de corriente de cortocircuito pasó de 4,21 a 8,61 mA·cm⁻², es decir, se duplicó, y la eficiencia de conversión subió del 1,09 % al 1,65 %, una mejora del 51,4 %. Las series con DMF y DMSO también mejoraron a la referencia, pero menos: la mejor eficiencia fue del 1,49 % con DMF y del 1,32 % con DMSO.
La resistencia en serie, un indicador de las pérdidas por transporte de carga, cayó de 42,5 a 19,4 Ω·cm² en el mejor dispositivo de THF, más de un 50 %. Dentro de cada serie, los dispositivos con menor resistencia en serie tendieron a ser los más eficientes.
Hubo también un coste. La tensión de circuito abierto bajó de 0,568 V a 0,442 V en el dispositivo THF_03. Los autores proponen dos posibles explicaciones, un cambio en la función de trabajo del polímero y un aumento de la recombinación en la interfaz por la capa más delgada, pero aclaran que no las han confirmado experimentalmente y lo dejan como trabajo futuro.
No importa cuántos defectos hay, sino qué profundidad tienen
La clave aparece al analizar las curvas de corriente en oscuridad en escala doble logarítmica. A tensiones bajas la corriente es óhmica. Al subir la tensión aparece un régimen limitado por trampas, cuya pendiente (m) informa de lo «profundas» que son esas trampas de carga.
A partir de esa pendiente se calcula la energía característica de las trampas (Eₜ). En la referencia es de 98,2 meV. En el dispositivo THF_03 baja a 85,3 meV, lo que indica una distribución de trampas más estrecha y menos profunda. En el extremo contrario, el dispositivo DMSO_05 alcanza 142,2 meV, con una pendiente de 6,5 y una clara degradación del transporte.
Figura 2. Representación conceptual del paisaje energético de trampas en la capa de PEDOT:PSS: referencia (Eₜ = 98,2 meV), THF_03 (85,3 meV) y DMSO_02 (113,7 meV). Esquema ilustrativo, no a escala.
Un resultado contraintuitivo
Lo más llamativo es que el dispositivo de referencia presenta la menor densidad total de trampas de todo el estudio. Los dispositivos tratados con THF tienen algo más, y los de DMSO son los que más acumulan. Aun así, el THF mejora claramente el rendimiento.
La conclusión de los autores es que en semiconductores orgánicos desordenados importa más la distribución energética de los defectos que su número. Un pequeño aumento de defectos puede compensarse con una reorganización que mejora la conectividad entre dominios conductores. El THF logra, según el estudio, el mejor equilibrio entre esa reorganización y la aparición de nuevas trampas.
Un dato adicional: la densidad de trampas depende de la permitividad relativa del PEDOT:PSS, que no está bien establecida en la literatura. Por eso el equipo exploró todo el rango entre 3 y 10 y comprobó que las comparaciones entre tratamientos se mantienen.
Dos mecanismos distintos de mejora
El análisis de la movilidad efectiva revela que no todos los disolventes actúan igual. En el dispositivo con THF, la movilidad relativa aumenta (aproximadamente 2,5 veces respecto a la referencia en el análisis de línea base) y coincide con la menor resistencia en serie y la mayor eficiencia. Es decir, mejora el transporte en el volumen de la capa.
El DMSO muestra lo contrario: su movilidad efectiva es menor que la de la referencia, pero el dispositivo sigue mejorando su eficiencia. Los autores lo interpretan como una mejora del contacto eléctrico en la interfaz, no del transporte en volumen. Además, el ajuste con el modelo de Murgatroyd indica que la dependencia de la movilidad con el campo eléctrico es débil, lo que respalda el análisis.
Un paso más hacia el diseño racional de interfaces
Este trabajo no persigue récords de eficiencia, y las eficiencias absolutas (1,65 % en el mejor caso) corresponden a un sistema modelo, el P3HT:PCBM. Su aportación es otra: demuestra que el análisis SCLC aplicado a células completas permite seguir, de forma no destructiva y en condiciones reales de operación, cómo cambia el desorden energético en la interfaz cuando se modifica una capa.
Los autores señalan como siguientes pasos comprobar si estas tendencias se mantienen con otros sistemas fotoactivos, como los aceptores no fullerénicos, y confirmar con técnicas espectroscópicas el origen de la pérdida de tensión. En definitiva, el estudio recuerda que mejorar una célula solar orgánica no consiste solo en reducir defectos, sino en entender cómo se distribuyen y cómo condicionan el paso de la carga.