Le simulazioni svelano obiettivi di efficienza e regole di progettazione per massimizzare la conversione della luce in elettricità utilizzando celle solari organiche.

Le celle solari organiche potrebbero presto rivaleggiare con le tradizionali tecnologie fotovoltaiche a base di silicio in termini di efficienza di conversione. Un team del KAUST Solar Center ha sviluppato un approccio computazionale che fornisce obiettivi pratici di prestazione e regole utili per aiutare a progettare e sviluppare sistemi di materiali per celle solari organiche ottimali.

La maggior parte dei pannelli solari si basa su semiconduttori inorganici per raccogliere e convertire la luce solare in elettricità. Materiali fotovoltaici organici, però, sono emersi leggeri, alternative economiche. Questi materiali sono facili da mettere a punto e lavorare su larga scala, che li rende appetibili per la produzione industriale e la commercializzazione.

Le celle solari organiche all'avanguardia si basano su eterogiunzioni di massa, che combinano materiali donatori e accettori di elettroni sensibili alla luce per formare uno strato attivo. L'esposizione alla luce solare crea uno stato eccitato che genera coppie di elettroni e lacune caricate positivamente, che sono responsabili della corrente elettrica. Questi portatori di carica devono essere tenuti separati, che si basa sui materiali donatori e accettori di elettroni.

I materiali accettori a base di fullerene hanno prodotto celle solari organiche con efficienze di conversione senza precedenti per quasi due decenni. Eppure questi materiali hanno diversi inconvenienti, come perdite di alta tensione e scarso assorbimento dello spettro solare, che hanno limitato le efficienze all'11%. Nel frattempo, le alternative non fullereniche hanno recentemente superato tutte le cellule esistenti a base di fullerene, però, una mancanza di comprensione degli elementi che controllano l'efficienza di conversione di queste cellule ha limitato l'ulteriore miglioramento delle prestazioni delle cellule.

Thomas Anthopoulos e collaboratori hanno utilizzato simulazioni al computer per valutare l'influenza di diversi parametri chiave, compreso l'assorbimento e lo spessore dello strato attivo, mobilità del vettore di carica e tasso di ricombinazione della carica, sulle prestazioni delle celle solari organiche non fullerene.

Il borsista post-dottorato Yuliar Firdaus spiega che le simulazioni trattano esplicitamente l'effetto di questi parametri. Perciò, il limite di efficienza della cella calcolato è simile all'efficienza che le celle non a base di fullerene possono realisticamente raggiungere con il miglioramento continuo del materiale.

I ricercatori hanno scoperto che le cellule non a base di fullerene potrebbero realizzare efficienze superiori al 18 percento, anche con la mobilità di carica facilmente ottenibile nei sistemi di materiali esistenti. Le efficienze potrebbero addirittura superare il 20 percento con mobilità di elettroni e lacune elevate ed equilibrate associate a basse costanti di velocità di ricombinazione. "Sono fiducioso che le celle non a base di fullerene raggiungeranno presto questi limiti di efficienza calcolati, "dice Firdaus.

"Attualmente stiamo lavorando su diversi fronti, come lo sviluppo di nuovi strati interfacciali e formulazioni di droganti, pur mantenendo lo stesso obiettivo primario:avvicinare l'efficienza delle celle solari organiche ai limiti pratici individuati nel nostro studio, "dice Firdaus.