Un materiale per l'energia solare che è notevolmente durevole ed economico è purtroppo anche inutilizzabile se genera a malapena elettricità, così molti ricercatori avevano abbandonato le tecnologie solari organiche emergenti. Ma ultimamente, un cambiamento nella chimica sottostante ha aumentato la potenza, e un nuovo studio ha rivelato modifiche controintuitive che rendono la nuova chimica di successo.

Il passaggio è da "fullerene" a "accettori non fullereni" (NFA), termini dettagliati di seguito, e nella produzione di energia elettrica fotovoltaica, l'accettore è una molecola con il potenziale di essere per gli elettroni ciò che un ricevitore è per una palla da baseball. Le molecole donatrici corrispondenti "lanciano" gli elettroni ai "catturatori" accettori per creare corrente elettrica. Il chimico molto citato Jean-Luc Brédas del Georgia Institute of Technology ha promosso la tecnologia e ha anche guidato il nuovo studio.

"Gli NFA sono bestie complesse e fanno cose che l'attuale tecnologia solare al silicio non fa. Puoi modellarli, renderli semitrasparenti o colorati. Ma il loro grande potenziale sta nella possibilità di mettere a punto il modo in cui liberano e spostano gli elettroni per generare elettricità, " disse Bredas, un Regents Professor alla Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech.

Guadagnare con il silicio

Solo negli ultimi quattro anni, la messa a punto della chimica NFA ha potenziato la tecnologia fotovoltaica organica dalla conversione iniziale solo dell'1% della luce solare in elettricità alla conversione del 18% in recenti esperimenti. A confronto, i moduli solari in silicio di alta qualità già presenti sul mercato convertono circa il 20%.

"La teoria dice che dovremmo essere in grado di raggiungere oltre il 25% di conversione con il solare organico a base di NFA se possiamo controllare la perdita di energia attraverso la morfologia, " ha detto Tonghui Wang, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Brédas e primo autore dello studio.

Morfologia, le forme che assumono le molecole in un materiale, è la chiave per la maggiore efficienza della tecnologia solare NFA, ma come funziona a livello molecolare è stato un mistero. Il nuovo studio ha modellato attentamente piccole modifiche alle forme molecolari e ha calcolato la corrispondente conversione di energia in un comune accoppiamento donatore/accettore di elettroni NFA.

Il miglioramento delle prestazioni non è derivato da modifiche alla mano metaforica del ricevitore né dalla mano di lancio del donatore, ma da qualcosa di simile alla posizione dei piedi del ricevitore. Alcune posizioni allineavano meglio il "corpo" dell'accettore con quello del donatore di elettroni.

I "piedi" erano un minuscolo componente, un gruppo metossi, sull'accettante, e due posizioni su quattro possibili prese hanno aumentato la conversione della luce in elettricità dal 6% al 12%. Brédas e Wang hanno pubblicato il loro studio, Celle solari organiche basate su accettori di piccole molecole non fullereni:impatto della posizione del sostituente , il 20 novembre, 2019, nel diario Questione . La ricerca è stata finanziata dall'Office of Naval Research.

(La coppia chimica donatore/accettore era PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, o -4, con -2 e -3 che mostrano una generazione di elettricità superiore. Vedere la citazione in fondo per un nome chimico completo.)

Celle di silicio goffe

Le celle solari commerciabili basate su NFA potrebbero avere molti vantaggi rispetto al silicio, che richiede l'estrazione di ghiaia di quarzo, fondendolo come il ferro, purificandolo come l'acciaio, quindi tagliarlo e lavorarlo. Al contrario, Le celle solari organiche iniziano come solventi economici che possono essere stampati su superfici.

Le cellule di silicio sono solitamente rigide e pesanti e si indeboliscono con il calore e lo stress leggero, considerando che le celle solari a base di NFA sono leggere, flessibile, e resistente allo stress. Hanno anche proprietà fotoelettriche più complesse. Negli strati fotoattivi basati su NFA, quando i fotoni eccitano gli elettroni fuori dalle orbite esterne delle molecole donatrici, gli elettroni danzano intorno ai buchi elettronici che hanno creato, configurandoli per un passaggio di consegne personalizzato agli accettanti.

"Il silicio fa uscire un elettrone dall'orbita quando i fotoni lo eccitano oltre una soglia. È acceso o spento; o ottieni un elettrone di conduzione o nessun elettrone di conduzione, " disse Bredas, che è anche Vasser Woolley Chair in Molecular Design presso Georgia Tech. "Gli NFA sono più sottili. Un donatore di elettroni raggiunge un elettrone, e l'accettore di elettroni lo trascina via. La capacità di regolare la morfologia rende sintonizzabile il trasferimento di elettroni".

Non un fullerene

Come dice il nome, gli accettori non fullereni non sono fullereni, che sono molecole di carbonio puro con strutture piuttosto uniformi e geometriche di elementi ripetuti pentagonali o esagonali. nanotubi, grafene, e fuliggine sono esempi di fullereni, che prendono il nome dall'architetto Buckminster Fuller, famoso per la progettazione di cupole geodetiche.

I fullereni sono più increspati nella struttura molecolare e nella sintonizzabilità rispetto ai non fullereni, che sono più liberamente progettati per essere flosci e pieghevoli. I donatori e gli accettori basati su NFA possono avvolgersi l'un l'altro come precisi vortici di cioccolato e pastella alla vaniglia in una torta Bundt, dando loro vantaggi oltre la donazione e l'accettazione di elettroni, come un migliore imballaggio molecolare in un materiale.

"Un altro punto è come le molecole accettore sono collegate tra loro in modo che l'elettrone accettato abbia un percorso conduttivo verso un elettrodo, "Brédas ha detto. "E vale per i donatori, pure."

Come in ogni cella solare, gli elettroni di conduzione hanno bisogno di una via d'uscita dal materiale fotovoltaico in un elettrodo, e deve esserci un percorso di ritorno all'elettrodo opposto affinché gli elettroni in arrivo riempiano i buchi lasciati dagli elettroni in partenza.

Citazioni di grande impatto

I riconoscimenti di Brédas sono numerosi, ma ha particolarmente attirato l'attenzione per il suo punteggio h-index di Google Scholar, un calcolo dell'impatto delle pubblicazioni di un ricercatore. L'attuale punteggio di Breda di 146 lo colloca probabilmente tra i 700 ricercatori pubblicati di maggior impatto nella storia globale moderna.

È stato un leader particolarmente noto nella ricerca fotoelettrica e sui semiconduttori basata sulla chimica organica conveniente e pratica.