Investigadores de la Universidad de Tecnología Chalmers, Suecia, han descubierto un nuevo y sencillo método que podría duplicar la eficiencia de la electrónica orgánica. El hallazgo ofrece un conocimiento fundamental para el desarrollo de tecnologías como la iluminación OLED, las células solares de base plástica y la bioelectrónica, permitiendo doblar su eficiencia a través de un proceso de “doble dopaje”.

La mayoría de los productos electrónicos de uso diario se basan en semiconductores inorgánicos, como el silicio. Crucial para su desempeño es un proceso denominado como dopaje, que consiste en “tejer” impurezas en el semiconductor para mejorar su conductividad eléctrica. Es esto lo que posibilita la utilización de diferentes semiconductores en el desarrollo de células solares o iluminación LED.

Para los semiconductores orgánicos, es decir, basado en carbono, este proceso de dopaje es igualmente importante. Desde el descubrimiento de plásticos y polímeros conductores de electricidad, un campo por que se otorgó el Premio Nobel de Física en el 2000, la investigación y desarrollo de la electrónica orgánica se ha acelerado rápidamente. Las pantallas OLED son ejemplo de esto, donde se está convirtiendo la tecnología incumbente para las pantallas de los móviles y televisores. Sin embargo, otras aplicaciones aún no se han podido desarrollar de forma tan exitosa, debido en parte al hecho de que los semiconductores orgánicos no han sido hasta ahora lo suficientemente eficientes.

El dopaje en los semiconductores orgánicos opera a través de los se conoce como reacción redox. Esto significa que una molécula dopante recibe un electrón del semiconductor, lo que aumenta la conductividad eléctrica del mismo. Mientras más moléculas dopantes pueden reaccionar con el semiconductor, mayor será la conductividad, al menos hasta cierto límite, después de lo cual la conductividad disminuirá. Actualmente, el límite de eficiencia de los semiconductores orgánicos dopados ha sido determinada por el hecho de que las moléculas dopantes solo han podido intercambiar un electrón a cada una de ellas.

Ahora, gracias a la nueva investigación realizada por el profesor Christian Müller y su grupo, junto con colegas de otras siete universidades, se demustra que es posible mover dos electrones a cada molécula dopante. Los resultados han sido publicados recientemente en la revista científica Nature Materials.

“A través de este proceso de “doble dopaje”, el semiconductor puede ser el doble de efectivo” declaró David Kiefer, estudiante de doctorado en el grupo y primer autor del artículo.

De acuerdo con el profesor Christian Müller, esta innovación no ha sido construida a través de un gran avance técnico, sino de simplemente de ver lo que otros no han visto. “Durante los últimos años todo el campo de investigación se ha centrado en el estudio de materiales que sólo permiten reacciones redox por molécula. En este caso, elegimos observar un tipo diferente de polímero, con menor energía de ionización. Vimos que este material permitió la transferencia de dos electrones a la molécula dopante. En realidad ha sido muy simple” explica Müller, profesor de Ciencia de Polímeros en Chalmers.  

El descubrimiento podría permitir nuevas mejoras a las tecnologías que a día de hoy no son lo suficientemente competitivas para llegar al mercado. Uno de los problemas con los que se encuentran estas tecnologías es que los polímeros simplemente no conducen la electricidad lo suficientemente bien, y por lo tanto, el lograr que las técnicas de dopaje sean más efectivas ha sido durante mucho tiempo el camino para lograr una mejor electrónica basada en polímeros. Ahora, esta duplicación de la conductividad de los polímeros, mientras se usa la misma cantidad de material dopante, sobre la misma área de superficie, podría representar el punto de inflexión necesario para permitir el desarrollo y comercialización de estas tecnologías emergentes.

“Con la pantallas OLED, el desarrollo ha llegado tan lejos como para ya estén en el mercado. Pero para que otras tecnologías tengan éxito y logren comercializarse, se necesita algo más. Sería el caso de las células solares orgánicas o circuitos electrónicos construidos con material orgánico. Necesitamos la capacidad de aplicar ciertos componentes al mismo nivel que la electrónica del silicio. Nuestro enfoque en un paso a la dirección correcta”, afirma Christian Müller.

El descubrimiento ofrece un conocimiento fundamental que podría ayudar a miles de investigadores a lograr avances en la electrónica flexible, bioelectrónica y termoelectricidad. El propio grupo de Christian Müller, esta investigando diferentes áreas de aplicación, centradas en la tecnología de polímeros. Entre otras, el desarrollo de textiles de conducción eléctrica y células solares orgánicas.

Imagen de portada: “Célula solar suministrada por Epishine AB” Créditos: Johan Bodell Chalmers University of Technology