Gli scienziati della TU Dresden e dell'Università di Hasselt in Belgio hanno studiato le cause fisiche che limitano l'efficienza delle nuove celle solari basate su materiali molecolari organici. Attualmente, la tensione di tali celle è ancora troppo bassa, una delle ragioni delle loro efficienze ancora relativamente basse.

Nel loro studio, studiando le vibrazioni delle molecole nei film sottili, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che gli effetti quantistici fondamentali, le cosiddette vibrazioni del punto zero, può dare un contributo significativo alle perdite di tensione. Lo studio è stato ora pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Le celle solari sono un punto di cristallizzazione di grandi speranze per la necessaria trasformazione della produzione energetica globale. Fotovoltaico organico (OPV), che si basa sul biologico, cioè materiali a base di carbonio, potrebbe essere ideale per diventare un importante pilastro nel mix energetico delle "rinnovabili" perché hanno un bilancio ecologico migliore rispetto ai moduli convenzionali a base di silicio e solo una piccola quantità di materiale è necessaria per produrre i film sottili. Però, è necessario un ulteriore aumento dell'efficienza. Si basa su vari valori caratteristici come la tensione a circuito aperto, i cui valori troppo bassi sono attualmente una delle ragioni principali per efficienze ancora abbastanza moderate dell'OPV.

Lo studio ha studiato le ragioni fisiche di ciò, comprese le vibrazioni delle molecole nei film sottili. È stato dimostrato che le cosiddette vibrazioni del punto zero, un effetto della fisica quantistica che caratterizza il movimento a temperatura zero assoluta, possono avere un'influenza significativa sulle perdite di tensione. È stata dimostrata una relazione diretta tra proprietà molecolari e proprietà del dispositivo macroscopico. I risultati forniscono informazioni importanti per l'ulteriore sviluppo e miglioramento di nuovi materiali organici.

Il limite a bassa energia degli spettri di assorbimento ottico è cruciale per le prestazioni delle celle solari, ma nel caso delle celle solari organiche con molti fattori di influenza non è ancora ben compreso. In questo studio, è stata studiata l'origine microscopica delle bande di assorbimento nei sistemi di miscele molecolari e il loro ruolo nelle celle solari organiche. L'attenzione si è concentrata sulla dipendenza dalla temperatura delle caratteristiche di assorbimento, che è stato studiato teoricamente considerando le vibrazioni molecolari. Le simulazioni combaciavano molto bene con gli spettri di assorbimento misurati sperimentalmente, il che porta a una serie di importanti scoperte.

Gli autori hanno scoperto che le vibrazioni di punto zero, mediato dall'interazione elettrone-fonone, causare una notevole larghezza di banda di assorbimento. Ciò porta alla riemissione di una parte dell'energia inutilizzata e quindi riduce la tensione a circuito aperto. Queste perdite di tensione possono ora essere previste da parametri molecolari elettronici e vibronici. Ciò che è insolito è che questo effetto è forte anche a temperatura ambiente e può ridurre significativamente l'efficienza della cella solare organica. Gli autori stanno discutendo su quali strategie per ridurre queste perdite di tensione indotte dalle vibrazioni potrebbero essere applicate per un numero maggiore di sistemi e diverse geometrie di eterogiunzione.