Credito:Wiley
Il fotovoltaico organico ha raggiunto efficienze notevolmente elevate, ma trovando combinazioni ottimali di materiali per celle solari organiche ad alte prestazioni, che sono anche economicamente competitivi, rappresenta ancora una sfida. I ricercatori degli Stati Uniti e della Cina hanno ora sviluppato un innovativo materiale interstrato per migliorare la stabilità del dispositivo e le prestazioni degli elettrodi. Nel diario Angewandte Chemie , gli autori descrivono il loro pieno di fullerene, polimero ionico facilmente lavorabile, che aumenta l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari organiche.
A differenza delle comuni celle solari a base di silicio, il fotovoltaico organico (OPV) coinvolge le molecole organiche nella generazione di energia solare. I materiali negli OPV sono abbondanti e lavorabili, economico e leggero, e i moduli possono essere resi flessibili e con proprietà sintonizzabili. Il principale svantaggio di tali materiali è che il raggiungimento della longevità e delle prestazioni elevate richiede impostazioni e architetture elaborate. Le combinazioni ottimizzate di materiali che corrispondono agli elettrodi rimangono sfuggenti.
I metalli d'argento o d'oro formano stabili all'aria, catodi lavorabili, ma riducono anche il potenziale del dispositivo. Per superare questo problema, Yao Lui all'Università di Tecnologia Chimica di Pechino (Cina), e Thomas Russell e Todd Emrick all'Università del Massachusetts, Amherst (Stati Uniti), e i loro gruppi di ricerca, hanno sviluppato un nuovo materiale polimerico che funge da intercalare tra l'elettrodo e lo strato attivo. Questo intercalare deve essere conduttivo e deve abbassare la funzione di lavoro del catodo prevedendo un dipolo interfacciale.
Come materiale intercalare, i ricercatori hanno studiato una nuova classe di polimeri carichi, i polimeri ionenici. "I polimeri ionenici sono policationi in cui le parti cariche sono posizionate all'interno della struttura polimerica piuttosto che come gruppi pendenti, " spiegano gli autori. Ciò porta a una distribuzione di carica più elevata rispetto ai polimeri cationici convenzionali, e in aggiunta, migliore accordabilità. I polimeri di ionene forniscono un utile dipolo interfacciale, ma solo, mancano della conduttività richiesta.
Perciò, gli autori hanno incluso i fullereni nella struttura strutturale dello strato polimerico. Le cosiddette "bucky ball" - sfere di fullerene fatte esclusivamente di carbonio - sono già utilizzate come molecole accettore comuni nei dispositivi OPV. Sono altamente conduttivi e hanno molte altre proprietà favorevoli.
Gli scienziati hanno preparato il materiale interstrato fullerene-ionene innovando la chimica convenzionale di polimerizzazione a stadi con nuovi, monomeri funzionali. Hanno assemblato i dispositivi OPV e hanno incluso un intercalare. Il risultato è stato un notevole aumento dell'efficienza di conversione dell'alimentazione, in media tre volte, rispetto ai dispositivi senza intercalare. Efficienze superiori al 10% indicano un'ulteriore applicabilità di questi dispositivi modulari.
Questo lavoro mostra che una modifica relativamente semplice alla composizione dei materiali può migliorare l'efficienza nell'elettronica organica e può superare i problemi intrinseci legati alla combinazione di materiali duri (elettrodi) e morbidi (a strati attivi).