Le celle solari di nuova generazione realizzate con composti organici sono molto promettenti per soddisfare le future esigenze energetiche, ma i ricercatori stanno ancora cercando di acquisire una profonda comprensione dei materiali coinvolti, compresa l'efficienza con cui convertono la luce in carica mobile, nota come fotocapacità.

Un gruppo di ricerca della Cornell guidato da John Marohn, docente presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica, ha proposto un metodo unico per registrare e misurare la carica mobile indotta dalla luce - a lunghezze di nanoscala e tempi di nanosecondi - in diverse aree in un materiale eterogeneo di celle solari.

Il loro approccio prevede un microcantilever carico, che subisce un leggero spostamento nella fase di oscillazione a causa dell'interazione con un materiale vicino caricato elettricamente. Marohn paragona la tecnica a come un orologio potrebbe essere influenzato da una carica elettrica, dove la differenza non può essere vista in tempo reale ma l'effetto della carica è evidente quando si confronta quell'orologio con uno non interessato.

"Gli orologi girano entrambi una volta all'ora, "Marohn ha detto, "ma si avanzerà leggermente come risultato dell'interazione con la carica. E confrontando i due orologi, puoi vedere che quello ha preso un piccolo angolo in più."

La loro carta, "Transitori di fotocapacità di microsecondi osservati utilizzando un microcantilever carico come integratore meccanico gated, " è stato pubblicato il 9 giugno in Progressi scientifici . I collaboratori di Marohn erano i dottorandi Ryan Dwyer e Sarah Nathan, che condividono il credito dell'autore principale.

Il gruppo ha richiesto la protezione brevettuale per la tecnica sviluppata per questo lavoro – la microscopia a forza elettrica phase-kick (pk-EFM) – con il Center for Technology Licensing di Cornell.

Una delle inefficienze dei materiali organici delle celle solari che Marohn e il suo gruppo stanno affrontando è la ricombinazione. Quando la luce del sole colpisce il materiale, crea cariche libere (elettroni con carica negativa e lacune con carica positiva) che vengono trasformate in corrente elettrica. Ma non tutti questi addebiti gratuiti sfuggono alla cella e si trasformano in corrente; quelli che non si trasformano in corrente si ricombinano, con il sottoprodotto essendo il calore.

La capacità di "vedere" - o, più accuratamente, misura:la generazione e la ricombinazione di carica a seguito di un'esplosione di luce è stata la spinta del gruppo nello sviluppo di pk-EFM. Un cantilever conduttivo è posto vicino a un film semiconduttore organico; viene applicato un impulso di tensione al cantilever, mentre viene applicato al campione un impulso di luce accuratamente temporizzato.

La frequenza di oscillazione del cantilever è leggermente spostata dalle interazioni elettrostatiche con le cariche mobili nel campione. Tali interazioni determinano uno sfasamento, o "calcio di fase" come lo chiama il gruppo. Questo sfasamento persiste a lungo (quasi un secondo) ed è quindi relativamente facile da misurare con precisione.

I ricercatori studiano questo sfasamento in funzione del ritardo di nanosecondi tra gli impulsi luminosi e gli impulsi di tensione. In questo modo, i ricercatori sono in grado di dedurre indirettamente cosa è successo alle cariche sulla scala temporale dei nanosecondi senza dover osservare direttamente la carica, in tempo reale.

"Quello che volevamo era un modo per vedere, in queste minuscole regioni dove si concentrano diverse molecole, come le cariche si ricombinano nelle varie regioni del campione, " Ha detto Marohn. "Stiamo cercando di guardare cose che sono sia molto veloci che molto piccole".

Il lavoro del gruppo sta cercando di sondare più in profondità la fotocapacità di materiali organici sfusi che sono stati precedentemente esaminati utilizzando la microscopia a forza elettrica risolta nel tempo. Il lavoro futuro si concentrerà sull'ottenimento di una risoluzione spaziale e temporale ancora migliore nella speranza di determinare in definitiva quale combinazione di materiali è ottimale per l'energia solare efficiente.

"Le celle solari funzionano bene, e non capiamo davvero come funzionano, "Ha detto Marohn. "Sembra che, se hai davvero capito come funzionavano, potresti renderli molto migliori. E questo è un modo per cercare di capirlo".