La struttura del dispositivo proposto, mostrando come i fori generati (h+) vengono utilizzati per facilitare l'ossidazione dei tioli. La corrente misurata aumenta notevolmente sotto l'illuminazione e l'applicazione di un leggero potenziale. Credito: Comunicazioni chimiche
Un team di ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e dell'Università di Kanazawa ha sviluppato un dispositivo ecocompatibile che utilizza l'energia solare per catalizzare una reazione di ossidazione elettrochimica con alta efficienza.
Le fonti di energia verde costituiscono un campo di ricerca caldo a livello globale a causa dell'attuale crisi ambientale e della necessità di evitare l'energia non rinnovabile (combustibili fossili). I ricercatori hanno cercato modi per sfruttare e raccogliere l'energia solare per decenni, e dispositivi fotovoltaici, che convertono la luce in elettricità, sono molto richiesti.
Lo studio di questi dispositivi è progredito dagli anni '70, dopo gli shock economici causati dai prezzi del petrolio. Mentre la maggior parte dei progressi sono stati fatti per le celle solari a base di silicio, gli scienziati hanno dimostrato che anche i dispositivi fotovoltaici organici possono raggiungere prestazioni accettabili. L'utilizzo di materiali organici è vantaggioso perché sono stampabili e verniciabili come processi rispettosi dell'ambiente, a differenza dei processi al silicio. Anche i materiali organici sono disponibili in grande varietà, rendendo possibile personalizzarli per ogni specifica applicazione.
Le celle solari fotovoltaiche organiche sono costituite da uno "strato attivo" racchiuso tra due diversi elettrodi (un elettrodo anteriore trasparente e un elettrodo posteriore). Il livello attivo è dove inizia la magia; l'energia dai fotoni della luce incidente viene trasferita agli elettroni del materiale attraverso collisioni, emozionandoli e mettendoli in moto, lasciando dietro di sé pseudo-particelle cariche positivamente note come "buchi". Questi tecnicamente non esistono, ma può essere usato per descrivere approssimativamente il comportamento elettrico del materiale. L'importanza degli elettrodi sta nel fatto che ognuno deve raccogliere un tipo di queste particelle cariche (si raccolgono buchi, e gli altri elettroni) per impedire loro di ricombinarsi nello strato attivo. Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno che è collegato a entrambi gli elettrodi, creare elettricità dalla luce.
Una cella fotovoltaica organica convenzionale viene rimossa dall'elettrodo posteriore e trasformata in un dispositivo fotoelettrochimico che raccoglie grandi volumi di elettroni e lacune. Credito:Università di Kanazawa
Però, è difficile raccogliere un gran numero di elettroni e lacune sugli elettrodi e convertire la luce in elettricità con un'elevata efficienza. Alcuni ricercatori hanno proposto di utilizzare direttamente le lacune o gli elettroni generati nelle reazioni chimiche vicino allo strato attivo. Così motivato, un gruppo di ricerca che includeva il Dr. Keiji Nagai della Tokyo Tech e dell'Università di Kanazawa ha proposto una semplice procedura di fabbricazione per un dispositivo fotoelettrochimico organico in grado di raccogliere l'energia solare per promuovere una reazione di ossidazione chimica.
Il loro approccio inizia con un dispositivo fotovoltaico organico convenzionale, che può essere facilmente fabbricato e le cui caratteristiche sono ben note, e rimuovendo meccanicamente l'elettrodo posteriore dove vengono raccolti i fori. Lo strato attivo esposto viene rivestito con ZnPc e immerso in tiolo, come mostrato in Fig. 1. I fori generati dalla luce incidente vengono utilizzati direttamente per l'ossidazione dei tioli, che è catalizzata (facilitata) dallo strato di ZnPc. Gli elettroni eccitati fluiscono attraverso l'elettrodo anteriore rimanente, generando una corrente elettrica.
La semplicità e i vantaggi dell'approccio di fabbricazione e l'efficienza misurata durante la raccolta dell'energia luminosa sono molto promettenti. "La rimozione dell'elettrodo posteriore è una tecnica promettente e ripetibile per la costruzione di una cella fotoelettrochimica ben caratterizzata, " spiega il Dr. Nagai. I ricercatori hanno anche studiato le proprietà topografiche ed elettrochimiche dello strato attivo rivestito con ZnPc per chiarire i principi della sua attività catalitica. "Gli effetti del rivestimento ZnPc sono stati chiaramente osservati nelle nostre analisi e consistono nell'accumulo effettivo di fori fotogenerati, " afferma il dott. Takahashi dell'Università di Kanazawa. I dispositivi rispettosi dell'ambiente come quello proposto forniscono più modi per raccogliere energia dal sole e avvicinarci a un futuro più verde.
