Un team internazionale di scienziati dei materiali dalla Francia, Russia e Kazakistan hanno trovato un modo per aumentare più volte l'efficienza delle celle solari organiche. Il nuovo studio, pubblicato in Journal of Materials Chemistry A , ha dimostrato che strutture ordinate basate su molecole organiche possono essere utilizzate per produrre energia solare.

Pannelli solari, o batterie, sono uno dei modi più promettenti per generare energia elettrica. A partire dal 2017, la potenza combinata dei pannelli solari installati in tutto il mondo ammontava a 400 gigawatt. Il settore dell'energia solare sta vivendo una rapida crescita, che dipende da batterie più economiche ed efficienti.

Un modo per migliorare i sistemi di energia solare consiste nell'introdurre nuovi materiali. Gli elementi base di un pannello solare che converte la luce in elettricità sono le celle fotovoltaiche, o celle solari. Sono per lo più realizzati in polisilicio, una forma policristallina altamente pura di silicio. Ma gli scienziati sono impegnati a cercare materiali alternativi. I polimeri organici con proprietà fotovoltaiche sono uno dei principali candidati per sostituire il silicio policristallino.

Un team di ricercatori francesi (Università di Strasburgo, Università di Lione, Istituto di scienze dei materiali di Mulhouse, Sincrotrone SOLEIL), Russia (Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca, Università statale di Mosca), e il Kazakistan (Nazarbayev University) ha descritto un modo per aumentare l'efficienza delle celle solari organiche incorporando atomi di fluoro nel polimero. Questo processo, noto come fluorurazione, è stato precedentemente dimostrato che migliora le proprietà fotovoltaiche dei polimeri, ma il meccanismo era poco compreso. Il nuovo studio chiarisce l'effetto della fluorurazione sull'efficienza cellulare.

Sperimentando varie modifiche ai polimeri, il team ha aumentato l'efficienza delle celle dal 3,7 al 10,2 percento. Anche se questo è ancora al di sotto del fotovoltaico commerciale al silicio, l'enorme guadagno in efficienza suggerisce che le celle a base di polimeri sono una tecnologia da non sottovalutare. Forse con ulteriori modifiche le celle solari organiche potrebbero superare le loro controparti a base di silicio policristallino.

Il polimero generico utilizzato nell'esperimento ha una struttura molecolare piuttosto complessa. Consiste in una catena di unità ripetitive mostrate nella parte sinistra della figura 1. Ciascuno di essi include eterocicli di zolfo - anelli costituiti da uno zolfo e quattro atomi di carbonio - e catene laterali di idrocarburi con una struttura ramificata.

I ricercatori hanno prodotto una serie di modifiche di questo polimero per scoprire quale ha migliori proprietà fotovoltaiche. Hanno cambiato la struttura aggiungendo atomi di fluoro (figura 1, a destra) e variando la lunghezza delle catene laterali. Una configurazione polimerica ha dimostrato di avere proprietà di gran lunga superiori. Vale a dire, l'efficienza della cella e l'uscita di corrente erano parecchie volte superiori.

Il team ha quindi studiato la struttura microscopica del composto più performante. L'analisi a raggi X ha rivelato che l'impilamento dei polimeri è più ordinato. Anche, le molecole erano caratterizzate da una maggiore mobilità dei portatori di carica, il che significa che il materiale conduce meglio l'elettricità. Per una cella solare, questo è chiaramente un vantaggio.

Il coautore dello studio, il professor Dimitri Ivanov, ha sottolineato i vantaggi tecnologici delle celle solari organiche. Ha detto che possono essere fabbricati in meno fasi, rispetto ai tradizionali pannelli fotovoltaici al silicio. I polimeri che assorbono la luce possono anche funzionare come un film sottile, il che significa che i pannelli solari non devono essere piatti.

"Per esempio, potresti depositare batterie solari organiche sulle tegole, "aggiunge Ivanov, che dirige il Laboratorio di materiali funzionali organici e ibridi al MIPT ed è direttore della ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica.

Secondo Ivanov, ciò che ha reso lo studio impegnativo è stata la "necessità di ottimizzare l'efficienza della cella solare selezionando i giusti livelli di energia molecolare del donatore e dell'accettore, creando anche la struttura supramolecolare appropriata che faciliterebbe il trasporto di carica agli elettrodi".