Celle solari organiche, realizzati con materiali a base di carbonio, presentano vantaggi unici rispetto ad altre tecnologie di celle solari. Per esempio, possono essere prodotti attraverso tecnologie di stampa a basso costo, e possono essere resi semitrasparenti con colori selezionabili, che può essere utilizzato architettonicamente nell'integrazione degli edifici. La loro flessibilità e il peso ridotto li rendono perfetti per alimentare i sensori per le applicazioni Internet of Things.

Una sfida chiave per lo sviluppo delle celle solari organiche è che di solito hanno grandi perdite di energia. Ora, 25 ricercatori di sette istituti di ricerca hanno elaborato regole per la progettazione di celle solari organiche ad alta efficienza. La ricerca è guidata da Feng Gao, professore associato presso l'Università di Linkoping, Svezia.

"Abbiamo formulato alcune regole di progettazione razionale per ridurre al minimo le perdite di energia nelle celle solari organiche. Seguendo queste regole, presentiamo una serie di esempi con basse perdite di energia e alte efficienze di conversione di potenza, "dice Feng Gao, professore associato presso la Divisione di Elettronica Biomolecolare e Organica dell'Università di Linkoping.

Le regole di progettazione, che sfidano alcune idee precedentemente tenute, sono stati pubblicati in un articolo sulla prestigiosa rivista Materiali della natura .

Utilizzando queste regole di progettazione, le celle solari organiche promettono di raggiungere i loro concorrenti per quanto riguarda l'efficienza di conversione dell'energia, che misura la frazione dell'energia nella radiazione solare che viene convertita in elettricità. Il limite teorico per la frazione di energia solare che può essere ottenuta nelle celle solari è di circa il 33%. Gli esperimenti di laboratorio con celle solari a base di silicio hanno raggiunto al massimo il 25%. Finora i ricercatori hanno creduto che il limite per le celle solari organiche fosse inferiore.

"Ma ora sappiamo che non c'è differenza:il limite teorico è lo stesso per le celle solari prodotte in silicio, perovskiti o polimeri, "dice Olle Inganas, professore di elettronica biomolecolare e organica, Università di Linköping.

Quando i fotoni del sole vengono assorbiti dal polimero semiconduttore in una cella solare, gli elettroni nel materiale donatore vengono portati a uno stato eccitato, e si formano buchi nello stato fondamentale a cui gli elettroni rimangono attratti. Per separare questi elettroni e lacune legati, viene aggiunto un materiale accettore. Però, questo materiale accettore di solito provoca perdite di energia extra, un problema che ha infastidito la comunità delle celle solari organiche per oltre due decenni.

L'articolo in Materiali della natura presenta due regole fondamentali per ridurre al minimo le perdite di energia per celle solari organiche ad alta efficienza:

• Ridurre al minimo lo sfasamento energetico tra i componenti donatore e accettore.
• Assicurati che il componente a bassa distanza nella miscela abbia un'elevata fotoluminescenza.

I ricercatori dei sette istituti di ricerca negli Stati Uniti, Cina ed Europa hanno prodotto insieme una dozzina di materiali, alcuni dei quali segnalati in precedenza ed altri completamente nuovi. Li hanno usati per dimostrare che la nuova teoria concorda con i risultati sperimentali, anche se è in qualche modo incompatibile con quanto si credeva in precedenza.