Resumen ejecutivo
En marcha hacia la fabricación sostenible de células fotovoltaicas, el grupo de investigación de la Dra. Manuela Schiek, asentado en Oldenburgo, ha descubierto de qué forma las últimas tecnologías en microscopía de escaneo láser confocal pueden mejorar la precisión y eficiencia de sus investigaciones en el caso de los electrodos transparentes y semiconductores orgánicos.
Gracias a la captación de energía de forma directa desde el sol para generar electricidad, las células solares parecen representar el epítome de la energía ecológica. ¿Pero se ha preguntado alguna vez sobre el proceso de fabricación? Por ejemplo, abordemos el caso del sílice cristalino: un componente principal de las células solares convencionales. En primer lugar, para transformar el mineral de sílice en su forma cristalizada y productiva se requieren temperaturas superiores a 2000 ºC. Este proceso consume muchísima energía y la obtención de sílice ultra puro también implica la utilización de productos químicos peligrosos y un gas a efecto invernadero muy potente. Otro de los obstáculos en la fabricación moderna de células solares inorgánicas de lámina fina serían los compuestos tóxicos, como el selenio o el cadmio. El indio también es un ingrediente vital que forma el código de estaño de indio (ITO), pero se estima que las reservas de este recurso finito sean inviables en 2017, lo que supone otro desafío potencial. Si cogemos el caso del tantalio, por ejemplo: es vital para la creación de transistores eléctricos y la disponibilidad limitada de este polémico material se halla en el corazón de muchos conflictos políticos en la República Democrática del Congo.
Siguiendo la creciente tensión con respecto a la red global de suministro eléctrico y la tendencia hacia la producción sostenible de energía, debemos asegurarnos de que los métodos de fabricación de dispositivos ecológicos sean igualmente sostenibles, y éste es precisamente el objetivo del grupo de investigación de la Dra. Manuela Schiek en la Universidad de Oldenburgo. Su investigación se centra en materiales alternativos que permitan la fabricación de células solares, sin generan peligros, y se encuentren disponibles de forma infinita. Este proceso implica la utilización de semiconductores orgánicos dentro de la capa activa que captura la energía y un sistema transparente de electrodos formado por una malla de nanocables de plata incrustados en una matriz de polímero orgánico (vea el cuadro de texto «arquitectura de la célula solar orgánica»).
Mediante su compleja estructura multicapa, las técnicas de análisis de superficies proporcionan conocimientos vitales sobre el funcionamiento de las células solares. A pesar de que la perfilometría táctil y la microscopía de fuerza atómica (AFM) han sido los pilares de la metrología de superficies durante muchos años, el uso de la microscopía de escaneo láser confocal (CLSM) está aumentando considerablemente.
El microscopio de escaneo láser confocal funciona como un perfilómetro óptico, combinando la capacidad de generar imágenes ópticas detalladas en colores reales con las funciones sin contacto de la tecnología de escaneo láser. Siendo más rápida y eficiente que las técnicas basadas en lapiceros ópticos, la CLSM en 3D puede medir superficies blandas o adhesivas y ofrece una resolución de 0,2 µm. Con todas estas ventajas, la introducción reciente del microscopio de escaneo láser confocal en 3D LEXT OLS4100 de Olympus en el laboratorio de la Dra. Schiek ha mejorado notablemente sus investigaciones sobre los métodos alternativos para la fabricación fotovoltaica.
Arquitectura de célula solar orgánica
 | La arquitectura de células solares orgánicas más popular se basa en una capa activa que recoge los fotones y los coloca entre dos electrodos; uno de ellos debe ser transparente para permitir la penetración de la luz. Los fotones que chocan con el semiconductor orgánico generan excitaciones de cargas que, por medio del uso de dos materiales (un aceptador de electrones y un donante de electrones), se dividen en sus electrones y
huecos desunidos. Accionados por un campo eléctrico, los electrones y huecos se desplazan hasta sus electrodos respectivos, creando la separación de carga necesaria para formar un circuito eléctrico.
El estudio de la Dra. Schiek analiza el uso de un nanocable de plata transparente (AgNW) para sustituir el ITO tan escaso y frágil, además de formar la capa activa a partir de materiales orgánicos como alternativa a los productos químicos que dañan el medio ambiente. Todo ello permite crear células solares flexibles, sostenibles y asequibles para aplicaciones de consumidor. |
Materias orgánicas en la capa activa
La capa activa es donde se captura la energía de los fotones. Y, dentro de las células solares, ésta suele formarse a partir de una combinación discontinua de dos materiales: un polímero y un fullereno. Con el polímero actuando como donante de electrones y el fullereno actuando como aceptador de electrones, la estructura de heterounión en masa permite mejorar la separación de la carga de los electrones y los huecos, mejorando de ese modo la función de las células solares. Sin embargo, los polímeros suelen ser mezclas poco definidas de materiales con distintas longitudes de cadena y con propiedades que son específicas de cada lote. Por otro lado, los semiconductores moleculares son bloques estructurales definidos por propiedades que pueden ajustarse a pequeños cambios. Por lo tanto, pueden ser optimizados para mejorar la función de las células solares. Una clase interesante de estas moléculas serían los tintes de escuaraína (Figura 1), cuya estructura proporciona una amplia absorción en la región roja del espectro de luz. La investigación de la Dra. Schiek se centra en la capa activa de heterounión en masa formada a partir de las escuaraínas mezcladas con un aceptador de fullereno (para más información, consulte la referencia 1). El grosor de la capa activa es crucial para esta aplicación: si es insuficiente se limita la movilidad de los portadores de carga y si es excesiva se producirá una reducción de la flexibilidad y absorción de luz.
Por lo tanto, la medición precisa del espesor de la capa es igualmente importante. En el laboratorio de la Dra. Schiek, después de realizar un raspado en la superficie de la capa activa con una aguja fina, los bordes afilados de este «surco» se miden usando la perfilometría. Anteriormente se utilizaba la perfilometría táctil, pero la suavidad del material orgánico impedía obtener una medición precisa. De hecho, se observaba frecuentemente una discrepancia en la altura de unos 20 nm entre los dos bordes afilados, lo que resulta relevante si se considera que el espesor medio de la capa activa es de 100 nm. A medida que la aguja subía desde el surco, la superficie era rayada y se generaba una falsa lectura de altura más baja.
En la microscopía de escaneo láser confocal en 3D, es el láser el que escanea la superficie y este enfoque sin contacto aumenta la precisión de la rugosidad de superficie (Figura 2). Además, una imagen visual de la muestra siempre resulta más intuitiva y con el LEXT OLS4100 esta información puede compilarse de forma sencilla en un informe para presentar la imagen como respaldo de los datos numéricos (Figura 2B).
Escuaraínas bajo luz polarizada.
Estos tintes moleculares ofrecen una alternativa sostenible para la capa activa, visualizada aquí entre polares cruzados con el LEXT OLS4100 de Olympus.
 Figura 1.A: Cristales individuales mostrando un resplandor metálico dorado: |  Figura 1.B: Capa con recubrimiento por rotación de escuaraínas limpias, con agregados de esferulita formados mediante cristalización tras recocido térmico. |
Metrología precisa de materiales suaves.
Formada a partir de material orgánico blando, la capa activa suele tener un espesor de 100 nm y se daña fácilmente al contacto.
 Figura 2.A: Perfilometría sin contacto conseguida con el microscopio LEXT OLS4100 de Olympus |  Figura 2.B: Datos compilados en un informe. |
Electrodos transparentes
La combinación de transparencia óptica y conducción permite que los electrodos transparentes formen el ánodo de la célula solar y dejen pasar la luz a través de la capa activa. El recurso de rápida disminución del ITO es actualmente el estándar industrial para los electrodos transparentes. Además, el ITO es un material frágil con un uso limitado en dispositivos flexibles mecánicamente y por ello se buscan otros métodos ligeros, asequibles y flexibles que también sean compatibles con el procesamiento a gran escala. El grafeno, por ejemplo (Figura 3), representa una alternativa potencial; pero las escamas son bastante pequeñas y por ello su uso está limitado a superficies más grandes.
Una alternativa prometedora es una malla de nanocables de plata (AgNWs) incrustados en una matriz de polímero. Es por ello que la segunda etapa del proyecto de laboratorio de la Dra. Schiek se centra en la producción de los AgNW, el procesamiento posterior para formar electrodos y la integración en células solares orgánicas en última instancia.
Para lograr una conductividad óptima, debe existir una conexión uniforme entre la capa activa y el electrodo para lo cual se requiere una malla de AgNW homogénea. Dado que el diámetro de los AgNW a 100 nm es equivalente al espesor de la capa activa, también es importante evitar estas regiones de agregación y procurar no perforar la capa activa. Sin embargo, en la práctica esto es difícil de conseguir en toda la célula solar usando las técnicas de producción de recubrimiento por rotación actuales y la evaluación de la rugosidad superficial desempeña un papel fundamental a la hora de optimizar el protocolo de síntesis.
La AFM ha sido la técnica principal usada para la evaluación de la rugosidad superficial de la malla de AgNW, pero la introducción de LEXT OLS4100 ha mejorado drásticamente la eficacia de la misma. En primer lugar, la Dra. Schiek averiguó que ampliando el campo de visión con la función de mosaico de imágenes podía ver una muestra más representativa de la superficie del electrodo. La malla de AgNW aparece de forma regular a pequeña escala, pero creando imágenes en alta resolución de un mm2 (diez veces más que con AFM) se podían identificar fácilmente las regiones de agregación que de otro modo pasarían desapercibidas (Figura 4A, B). Como puede verse en la Figura 4C, el software también permite visualizar el perfil de altura en 3D, lo que resulta útil para fines de análisis y documentación. Además, la posibilidad de aumentar el filtro de paso bajo desde una altura de 80 µm a 800 µm permite análisis más exhaustivo de las regiones elevadas de los nanocables de plata.
También, cabe destacar que la AFM es un proceso lento. El escaneo tarda hasta una hora en completarse, después de configurar el instrumento y ajustar los artefactos relacionados con la punta, y la adquisición de una única imagen útil puede tardar hasta un día completo. Con la CLSM en 3D, la adquisición de imágenes se lleva a cabo de forma rápida e intuitiva mediante el software, incluso en el caso de estudiantes que no tienen experiencia en el campo de la microscopía. A nivel del rendimiento, los investigadores descubrieron que la AFM y la CLSM con el LEXT OLS4100 generaban resultados comparables, y proporcionaban una eficacia mejorada en la evaluación de la rugosidad superficial de los electrodos transparentes.
Otro aspecto interesante de este proyecto es el potencial de largo alcance de los electrodos transparentes en las aplicaciones ortoelectrónicas, incluyendo los LED y las pantallas táctiles, donde el desarrollo de alternativas a la ITO también se está estudiando intensamente. En el futuro, las interfaces opto-electrónicas podrían permitir el restablecimiento de la visión, con implantes retinales usando la luz para generar una salida eléctrica y estimular la actividad neuronal.
Escama de grafeno multicapa revestida con un semiconductor orgánico emisor de luz.
 Figura 3 | Esta estructura forma parte de una investigación en curso para los diodos orgánicos emisores de luz, mientras que el grafeno también tiene el potencial de uso como un electrodo transparente (aunque las escamas son demasiado pequeñas para superficies fotovoltaicas más grandes). Visualizado con entrecruzado. |
Evaluación de la rugosidad superficial de los electrodos de malla de nanocables de plata usando el LEXT OLS4100 de Olympus.
La función de mosaico de imágenes amplía el campo de visión mediante un filtro de límite de paso bajo determinado a 800 µm.
 Figura 4.A: Análisis de distribución de nanocables a gran escala en campo claro. |  Figura 4.B: Gráfico de color de altura. |
 Figura 4.A: Análisis de distribución de nanocables a gran escala en campo claro. | |
Resumen
El suministro de la red global de energía aplicado de forma sostenible sigue siendo uno de los grandes desafíos del mundo moderno y ha llegado el momento de estudiar soluciones innovadoras. La utilización de materiales disponibles, generalmente, resulta muy prometedora a la hora de ofrecer una alternativa ecológica a la fabricación de células solares convencionales. Estas investigaciones están centradas en los últimos avances tecnológicos.
Desde mediciones precisas de la capa activa en perfilometría sin contacto hasta la eficacia analítica con funciones de software rápidas y avanzadas, el microscopio de escaneo láser confocal en 3D LEXT OLS4100 de Olympus ha proporcionado muchas ventajas al grupo de investigación de la Dra. Manuela Schiek frente a los métodos basados en lapiceros ópticos. Dado que las energías alternativas serán un elemento primordial en los próximos años, las tecnologías en evolución para los microscopios de luz seguramente desempeñarán un papel fundamental en la revolución solar.
Información sobre el autor
Markus Fabich es gerente de productos destinados a aplicaciones de microscopía industrial y ciencia de los materiales en Olympus SE & CO. KG (Hamburgo, Alemania).
Referencias
1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, T. J. Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
