(Phys.org) — La luce solare assorbita dalle celle solari organiche deve prima attraversare un guanto di sfida su scala nanometrica prima di diventare elettricità utilizzabile. Dopo aver colpito il materiale che assorbe la luce della cella solare, chiamato strato fotoattivo, la luce solare assorbita eccita gli elettroni, liberandoli per trovare la loro strada attraverso un labirinto pieno di colpi di scena, giri, vicoli ciechi, e collisioni. Solo le cariche gratuite che riescono a superare questo labirinto possono essere utilizzate in un circuito come elettricità. Quindi gli scienziati hanno cercato modi per alleviare l'ingorgo del traffico di elettroni nel fotovoltaico organico.

Ora, i ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Stony Brook University hanno sviluppato un modo per mappare il grado di "congestione del traffico" sulle autostrade degli elettroni all'interno dello strato fotoattivo. La loro nuova tecnica di misurazione e tracciamento utilizza modalità a guida ottica, un processo di guida della luce attraverso aree precise nel piano orizzontale delle celle solari, per aiutare gli scienziati a comprendere meglio come i materiali utilizzati negli strati fotoattivi influenzano la velocità e l'efficienza del viaggio degli elettroni.

"Con la nostra tecnica, ora puoi capire meglio fino a che punto gli elettroni si muovono attraverso la complessa rete dello strato fotoattivo, " ha detto il fisico di Brookhaven Matthew Eisaman, team leader sul nuovo studio pubblicato online in Materiali energetici avanzati il 25 agosto, 2013. "Studi precedenti hanno rivelato la composizione del materiale, ma la nostra tecnica illumina come quella struttura influisca sul trasporto di elettroni".

A differenza delle grandi celle solari a base di silicio che potresti vedere tipicamente sui tetti delle case o disposte in installazioni su larga scala per generare elettricità, le celle solari organiche sono più simili alla plastica flessibile. Le celle organiche potrebbero trovare applicazioni diffuse nella generazione di energia portatile per uso commerciale e militare o anche nel cosiddetto "fotovoltaico integrato nell'edificio, " dove le celle solari sono integrate direttamente nelle finestre, facciata, o tetto di un edificio. Le loro forme flessibili possono essere realizzate in modo economico utilizzando su larga scala, produzione roll-to-roll. Ma per ora questi materiali versatili non sono efficienti quanto le opzioni inorganiche.

Tracciare gli addebiti

Quando la luce eccita gli elettroni nello strato fotoattivo delle celle solari organiche, il processo crea una coppia di portatori di carica:un elettrone e un "buco, " l'assenza di un elettrone dove un tempo esisteva. Per diventare cariche libere, le coppie elettrone-lacuna devono essere scisse, e questo avviene alle interfacce di due materiali che tipicamente compongono lo strato fotoattivo, uno è un accettore di elettroni e l'altro un donatore di elettroni.

Gli strati fotoattivi più comunemente usati nelle celle solari organiche sono chiamati eterogiunzioni di massa (BHJ), in cui si mescolano i materiali dell'accettore e del donatore. Ciò consente un assorbimento della luce e un'estrazione di carica più efficaci perché quelle interfacce critiche sono presenti in tutta la cella.

Le porzioni accettore di elettroni e donatori di elettroni dello strato fotoattivo BHJ sono come due diversi tipi di reti autostradali all'interno della cella solare, Ha spiegato Eisaman. Gli elettroni viaggiano lungo il sistema autostradale accettore di elettroni, che è fatto di molecole di fullerene, mentre i loro fori corrispondenti si muovono attraverso il sistema autostradale del donatore di elettroni, che è costituito da un polimero semiconduttore. Comprendere come gli elettroni si muovono attraverso lo strato fotoattivo BHJ ha il potenziale per rendere le celle solari organiche più efficienti di quelle attualmente disponibili.

Per rivelare le strutture interne e le interazioni di queste "autostrade" BHJ, Gli scienziati del Brookhaven Lab hanno sondato le celle solari con la luce proveniente da direzioni diverse.

"Le celle solari sono come frittelle, appartamento di ampia metratura, Eisaman ha detto. "La luce solare colpisce tipicamente la cella solare dal lato superiore e passa attraverso i suoi strati sottili. Questa si chiama incidenza normale".

In precedenza gli scienziati avrebbero osservato lo strato fotoattivo facendo brillare un laser attraverso la parte superiore della cella solare, simile al sole. Ma sondare le celle solari con un'incidenza normale è un metodo incompleto:la luce proveniente dall'alto tenderà ad avere una maggiore intensità nella parte superiore dello strato fotoattivo, diminuendo man mano che viene assorbito attraverso il materiale e limitando la risoluzione. Il nuovo metodo sviluppato da Eisaman e dal suo team invia la luce orizzontalmente attraverso il fotovoltaico anziché solo dall'alto.

"Le modalità ottiche guidate consentono un migliore controllo della posizione della luce, " disse Eisaman. "La luce si propaga all'interno del piano della frittella, fornendo informazioni più precise".

I materiali fullereni e polimerici non si mescolano uniformemente in tutto lo strato fotoattivo BHJ. Anziché, i materiali tendono a "segregarsi di fase, " con un lato ricco di polimeri e l'altro ricco di fullerene. Questa segregazione di fase influisce sia sulla propagazione della luce che sul passaggio di elettroni e lacune attraverso lo strato. Usando la loro immagine ad alta risoluzione dello strato fotoattivo BHJ, gli scienziati hanno quindi mappato il modo in cui gli elettroni viaggiano attraverso la cella solare.

"Gli elettroni e le lacune sono come due diverse marche di automobili che viaggiano su due diversi tipi di autostrade, " disse Nanditha Dissanayake, autore principale dello studio. "Vogliamo capire a quale 'uscita' ogni auto appare per la prima volta sull'autostrada delle celle solari, e cosa succede mentre viaggiano verso una città, o un contatto elettrico, dove finiscono le autostrade."

Il nuovo metodo ha permesso a Eisaman e al suo team di eccitare selettivamente le regioni all'interno dello strato fotoattivo BHJ in modo che potessero misurare, con precisione e semplicità senza precedenti, la distanza percorsa dagli elettroni.

"Con il metodo di incidenza normale, stai creando un sacco di macchine sparse da qualche parte tra l'uscita 35 e la 50, " disse Eisaman. "Ma con la nostra tecnica in modalità guidata, siamo in grado di creare efficacemente auto esattamente all'uscita 60. Quindi possiamo osservare quante di esse hanno viaggiato in sicurezza da quell'uscita alla fine dell'autostrada, tracciando chiaramente il percorso e rivelando le buche, blocchi stradali e incidenti”.

Aggiunto Dissanayake, "Questa tecnica fornisce una comprensione fondamentale di come la composizione all'interno di una cella solare influenzi l'estrazione di carica e l'efficienza di un dispositivo. Fornisce linee guida su come formulare celle solari ad alta efficienza, non limitate a quelle organiche, ma anche altri tipi di fotovoltaico a base di nanomateriali".

I ricercatori hanno utilizzato gli strumenti del Centro per i nanomateriali funzionali (CFN) del laboratorio per fabbricare le celle solari e caratterizzare le loro proprietà dei materiali. Hanno anche eseguito misurazioni precise sulla segregazione di fase utilizzando la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven.

"Le capacità complementari delle nuove tecniche optoelettroniche sviluppate nel nostro laboratorio e le strutture di livello mondiale di fabbricazione e caratterizzazione dei materiali presso CFN rendono Brookhaven un luogo perfetto per svolgere questo lavoro, " ha detto Eisaman.

"Questa tecnica è il fulcro della nostra strategia per la creazione di capacità nuove e uniche per la caratterizzazione dei dispositivi fotovoltaici, " ha detto Patrick Looney, presidente del dipartimento di tecnologie per l'energia sostenibile al Brookhaven Lab, dove lavora Eisaman.

Il documento è intitolato "Mappatura della probabilità di raccolta delle cariche risolte nello spazio all'interno di impianti fotovoltaici a eterogiunzione sfusi".