In considerazione dei cambiamenti climatici e delle esigenze della riforma energetica, è diventato particolarmente importante aumentare significativamente l'efficienza delle celle solari organiche. In un processo noto come "fissione singoletto", un fotone eccita contemporaneamente due elettroni. Se questo effetto può essere sfruttato, potrebbe essere possibile aumentare drasticamente la potenza generata dalle celle solari. Fisici e chimici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) collaborando in un progetto congiunto internazionale con la Northwestern University negli Stati Uniti hanno elaborato con successo tutte le fasi intermedie decisive nel processo di fissione singoletto e sono riusciti a descrivere il meccanismo in dettaglio per la prima volta. I risultati sono stati pubblicati sulla principale rivista specializzata Comunicazioni sulla natura .
Le molecole stimolate dalla luce raggiungono un livello di eccitazione più elevato; ciò significa che l'energia corrispondente può essere utilizzata nelle celle solari organiche per generare una corrente elettrica. Quando una particella leggera entra in collisione con una molecola e viene assorbita da essa, è possibile che l'energia in eccesso creata in quella molecola possa stimolare un elettrone in una seconda molecola nelle sue immediate vicinanze. Di conseguenza, entrambe queste molecole conterrebbero un elettrone in uno stato di eccitazione superiore. Questo processo è chiamato fissione singoletto (SF) e potrebbe, nella migliore delle ipotesi, portare ad un aumento del 50% delle prestazioni delle celle solari. Però, l'energia generata non viene trattenuta dalle molecole per sempre e le molecole alla fine torneranno al loro stato precedente. Il principio alla base di SF è noto da 50 anni, ma il suo meccanismo esatto non è ancora completamente compreso. Ecco perché i ricercatori con sede a Erlangen hanno analizzato da vicino ogni fase intermedia tra la stimolazione delle molecole e il ritorno allo stato originale.
Due metodi impiegati per identificare le singole fasi
Collaborando con ricercatori internazionali, il team della FAU guidato dal Prof. Dr. Dirk M. Guldi (titolare della Cattedra di Chimica Fisica I) ha utilizzato due metodi diversi per identificare le singole fasi. Poiché tutti i processi che avvengono all'interno di una molecola dopo la sua eccitazione avvengono a velocità molto elevate, metodi spettroscopici devono essere impiegati per fornire approfondimenti risolti nel tempo nelle singole fasi successive alla stimolazione.
Usando la spettroscopia, i ricercatori hanno prima osservato come le proprietà di assorbimento delle molecole cambiassero durante la fase di disattivazione. Alcune fasi di transizione note come intermedi lasciano "impronte digitali" che consentono di identificarle chiaramente. Alcuni intermedi, però, hanno proprietà di assorbimento identiche, motivo per cui è necessario utilizzare un secondo metodo di analisi, in questo caso la spettroscopia di risonanza di spin elettronico. Questo perché alcuni degli intermedi differiscono per quanto riguarda lo spin dei loro elettroni stimolati. Utilizzando questi due metodi in tandem, il team FAU è riuscito con successo a identificare tutti gli intermedi ea sviluppare un modello standardizzato di ciò che accade in SF. I ricercatori sperano che i risultati del loro lavoro consentiranno di adottare un approccio più mirato alla progettazione delle molecole che a sua volta renderà fattibile la produzione di una cella solare che funzioni sulla base del principio della fissione singoletto.
