In un anticipo che potrebbe spingere a buon mercato, l'onnipresente energia solare più vicina alla realtà, I ricercatori dell'Università del Michigan hanno trovato un modo per convincere gli elettroni a viaggiare molto più lontano di quanto si ritenesse possibile nei materiali spesso utilizzati per le celle solari organiche e altri semiconduttori organici.

"Per anni, la gente aveva trattato la scarsa conduttività degli organici come un fatto inevitabile, e questo dimostra che non è sempre così, " ha detto Stephen Forrest, il Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering e Paul G. Goebel Professor of Engineering presso la U-M, che ha condotto la ricerca.

A differenza delle celle solari inorganiche ampiamente utilizzate oggi, i prodotti organici possono essere fatti di poco costoso, materiali flessibili a base di carbonio come la plastica. I produttori potrebbero sfornarne rotoli in una varietà di colori e configurazioni, per essere laminato discretamente su quasi tutte le superfici.

La notoriamente scarsa conduttività dei prodotti organici, però, ha rallentato la ricerca. Forrest crede che questa scoperta potrebbe cambiare il gioco. I risultati sono dettagliati in uno studio pubblicato il 17 gennaio in Natura .

Il team ha dimostrato che un sottile strato di molecole di fullerene, le curiose molecole di carbonio rotonde chiamate anche Buckyball, può consentire agli elettroni di viaggiare fino a diversi centimetri dal punto in cui vengono liberati da un fotone. Questo è un aumento drammatico; nelle cellule organiche di oggi, gli elettroni possono viaggiare solo poche centinaia di nanometri o meno.

elettroni, passando da un atomo all'altro, costituiscono la corrente elettrica in una cella solare o in un componente elettronico. Materiali come il silicio, utilizzato nelle odierne celle solari inorganiche e altri semiconduttori, hanno reti atomiche strettamente legate che rendono facile il viaggio degli elettroni attraverso il materiale.

Ma i materiali organici hanno legami molto più sciolti tra le singole molecole, che possono intrappolare gli elettroni. Questo è stato a lungo un tallone d'Achille dell'organico, ma la nuova scoperta mostra che potrebbe essere possibile modificare le loro proprietà conduttive per applicazioni specifiche.

La capacità di far muovere più liberamente gli elettroni nei semiconduttori organici potrebbe avere implicazioni di vasta portata. Per esempio, la superficie delle odierne celle solari organiche deve essere ricoperta da un elettrodo conduttivo che raccoglie gli elettroni nel punto in cui vengono inizialmente generati. Ma gli elettroni che si muovono liberamente possono essere raccolti molto lontano dal loro punto di origine. Ciò potrebbe consentire ai produttori di ridurre l'elettrodo conduttivo in una griglia invisibile, aprendo la strada a celle trasparenti che potrebbero essere utilizzate su finestre e altre superfici.

"Questa scoperta ci dà essenzialmente una nuova manopola da girare mentre progettiamo celle solari organiche e altri dispositivi a semiconduttore organici, " disse Quinn Burlingame, un ricercatore laureato in ingegneria elettrica e informatica e autore dello studio. "La possibilità del trasporto di elettroni a lungo raggio apre molte nuove possibilità nell'architettura dei dispositivi".

Burlingame afferma che la scoperta iniziale del fenomeno è avvenuta come un incidente mentre il team stava sperimentando l'architettura delle celle solari organiche nella speranza di aumentare l'efficienza. Utilizzando una tecnica comune chiamata evaporazione termica sotto vuoto, si sono stratificati in un sottile film di fullereni C60, ciascuno composto da 60 atomi di carbonio, sopra lo strato di produzione di energia di una cellula organica, dove i fotoni della luce solare sbattono gli elettroni liberi dalle loro molecole associate. Sopra i fullereni, mettono un altro strato per impedire la fuga degli elettroni.

Hanno scoperto qualcosa che non avevano mai visto prima in un organico:gli elettroni scorrevano senza impedimenti attraverso il materiale, anche al di fuori dell'area di generazione di energia della cella. Attraverso mesi di sperimentazione, hanno determinato che lo strato di fullerene formava quello che è noto come un pozzo di energia, un'area a bassa energia che impedisce agli elettroni con carica negativa di ricombinarsi con le cariche positive lasciate nello strato che produce energia.

"Puoi immaginare un pozzo di energia come una specie di canyon:gli elettroni cadono dentro e non possono più uscire, " ha detto Caleb Cobourn, un ricercatore laureato presso il Dipartimento di Fisica U-M e un autore dello studio. "Quindi continuano a muoversi liberamente nello strato di fullerene invece di ricombinarsi nello strato che produce energia, come farebbero normalmente. È come un'enorme antenna in grado di raccogliere una carica di elettroni da qualsiasi punto del dispositivo".

Forrest avverte che a questo punto l'uso diffuso della scoperta in applicazioni come le celle solari è teorico. Ma, è entusiasta delle maggiori implicazioni della scoperta per la comprensione e lo sfruttamento delle proprietà dei semiconduttori organici.

"Credo che l'onnipresente energia solare sia la chiave per alimentare il nostro pianeta in costante riscaldamento e sempre più affollato, e questo significa mettere celle solari su oggetti di uso quotidiano come facciate e finestre di edifici, " ha detto Forrest. "Una tecnologia come questa potrebbe aiutarci a produrre energia in un modo poco costoso e quasi invisibile".

Lo studio è intitolato "Centimeter-scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures". La ricerca è stata supportata dal Programma SunShot del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Air Force.