I ricercatori identificano e chiariscono l’ostacolo all’efficienza delle celle solari organiche

I ricercatori hanno identificato un meccanismo chiave responsabile della minore efficienza delle celle solari organiche e hanno mostrato un modo per superare questo ostacolo.

Il gruppo internazionale di ricercatori, guidato dall’Università di Cambridge, ha identificato un percorso di perdita nelle celle solari organiche che le rende meno efficienti delle celle a base di silicio nel convertire la luce solare in elettricità. Inoltre, hanno identificato un modo per sopprimere questo percorso manipolando le molecole all’interno della cella solare per prevenire la perdita di corrente elettrica attraverso uno stato indesiderato, noto come eccitone tripletta.

I loro risultati, riportati sulla rivista Natura, suggeriscono che potrebbe essere possibile per le celle solari organiche competere più strettamente con le celle a base di silicio per l’efficienza.

Le celle solari organiche, che sono flessibili, semitrasparenti ed economiche, possono ampliare notevolmente la gamma di applicazioni per la tecnologia solare. Potrebbero essere avvolti intorno agli esterni degli edifici e possono essere utilizzati per il riciclaggio efficiente dell’energia utilizzata per l’illuminazione interna, nessuna delle quali è possibile con i tradizionali pannelli in silicio. Sono anche molto più rispettosi dell’ambiente da produrre.

“Le celle solari organiche possono fare molte cose che le celle solari inorganiche non possono fare, ma il loro sviluppo commerciale si è stabilizzato negli ultimi anni, in parte a causa della loro efficienza inferiore”, ha affermato il dott. Alexander Gillett del Cavendish Laboratory di Cambridge, primo autore dell’articolo. . “Una tipica cella solare a base di silicio può raggiungere efficienze fino al 20-25%, mentre le celle solari organiche possono raggiungere un’efficienza di circa il 19% in condizioni di laboratorio e un’efficienza del mondo reale di circa il 10-12%”.

Le celle solari organiche generano elettricità imitando vagamente il processo naturale della fotosintesi nelle piante, tranne per il fatto che alla fine utilizzano l’energia del sole per creare elettricità anziché convertire l’anidride carbonica e l’acqua in glucosio. Quando una particella di luce, o fotone, colpisce una cella solare, un elettrone viene eccitato dalla luce e lascia un “buco” nella struttura elettronica del materiale. La combinazione di questo elettrone eccitato e lacuna è nota come eccitone. Se l’attrazione reciproca tra l’elettrone caricato negativamente e il foro caricato positivamente nell’eccitone, simile all’attrazione tra i poli positivo e negativo di un magnete, può essere superata, è possibile raccogliere questi elettroni e lacune come corrente elettrica.

Tuttavia, gli elettroni nelle celle solari possono essere persi attraverso un processo chiamato ricombinazione, in cui gli elettroni perdono la loro energia, il loro stato di eccitazione e ricadono nello stato di “buco” vuoto. Poiché esiste una maggiore attrazione tra l’elettrone e la lacuna nei materiali a base di carbonio rispetto al silicio, le celle solari organiche sono più inclini alla ricombinazione, che a sua volta influisce sulla loro efficienza. Ciò richiede l’uso di due componenti per impedire all’elettrone e alla lacuna di ricombinarsi rapidamente: un materiale “donatore” di elettroni e un materiale “accettore” di elettroni.

Utilizzando una combinazione di spettroscopia e modellazione al computer, i ricercatori sono stati in grado di tracciare i meccanismi all’opera nelle celle solari organiche, dall’assorbimento dei fotoni alla ricombinazione. Hanno scoperto che un meccanismo di perdita chiave nelle celle solari organiche è causato dalla ricombinazione a un particolare tipo di eccitone, noto come eccitone tripletta.

Nelle celle solari organiche, gli eccitoni tripletti presentano un problema difficile da superare, poiché è energeticamente favorevole che si formino dagli elettroni e dalle lacune. I ricercatori hanno scoperto che progettando forti interazioni molecolari tra i materiali donatori di elettroni e accettori di elettroni, è possibile mantenere l’elettrone e la lacuna più distanti, impedendo che si verifichi la ricombinazione in eccitoni tripletti.

La modellazione computazionale suggerisce che sintonizzando i componenti delle celle solari organiche in questo modo, i tempi di ricombinazione a questi stati di tripletto eccitone potrebbero essere ridotti di un ordine di grandezza, consentendo un funzionamento più efficiente delle celle solari.

“Il fatto che possiamo utilizzare le interazioni tra i componenti in una cella solare per disattivare il percorso di perdita di eccitoni triplette è stato davvero sorprendente”, ha detto Gillett. “Il nostro metodo mostra come è possibile manipolare le molecole per impedire che si verifichi la ricombinazione”.

“Ora, i chimici sintetici possono progettare la prossima generazione di materiali donatori e accettori con forti interazioni molecolari per sopprimere questo percorso di perdita”, ha affermato il coautore Dr. Thuc-Quyen Nguyen dell’Università della California, Santa Barbara. “Il lavoro mostra il percorso da seguire per ottenere una maggiore efficienza dei dispositivi”.

I ricercatori affermano che il loro metodo fornisce una strategia chiara per ottenere celle solari organiche con efficienze del 20% o più bloccando la ricombinazione negli stati di tripletto eccitone. Come parte del loro studio, gli autori sono stati anche in grado di fornire regole di progettazione per i materiali donatori di elettroni e accettori di elettroni per raggiungere questo obiettivo. Ritengono che queste linee guida consentiranno ai gruppi di chimica di progettare nuovi materiali che bloccano la ricombinazione in eccitoni tripletti, consentendo la realizzazione di celle solari organiche con efficienze più vicine al silicio.