La comprensione delle perdite di energia che influenzano la conversione della luce in elettricità potrebbe aiutare a migliorare l'efficienza delle celle solari organiche. Un team di chimici organici guidato da KAUST, ingegneri dei materiali, spettroscopisti e fisici teorici di sei gruppi di ricerca hanno ampiamente valutato i processi che limitano l'efficienza nei sistemi fotovoltaici organici.

Per raccogliere luce, le celle solari organiche all'avanguardia si basano su eterogiunzioni di massa, miscele di materiali donatori e accettori di elettroni sensibili alla luce. Quando la luce colpisce l'eterogiunzione, gli stati eccitati risultanti sono coppie di elettroni e lacune caricate positivamente che devono essere separate per produrre corrente elettrica. Durante la separazione di carica, il donatore cede elettroni all'accettore, e l'accettore trasferisce i buchi al donatore. Perciò, l'efficienza delle celle solari dipende da due fattori chiave:l'affinità elettronica compensata tra questi materiali, che corrisponde alla capacità dell'accettore di acquisire un elettrone e guida il trasferimento di elettroni; e l'energia di ionizzazione compensata, che rappresenta la propensione del donatore a rilasciare un elettrone, facilitare il trasferimento del foro.

Gli accettori non fullereni (NFA) hanno recentemente prodotto celle solari con efficienze di conversione prossime al 20%, superando gli accettori a base di fullerene che in precedenza avevano dominato. "La chiave di queste efficienze record è la progettazione e la sintesi di materiali che combinano un'efficiente generazione di carica con perdite di energia minime, " spiega il team leader Frédéric Laquai. "Tuttavia, il ruolo preciso delle compensazioni energetiche e dei relativi processi non è chiaro, che ha bloccato lo sviluppo di regole di progettazione per i sistemi basati su NFA", aggiunge.

Per affrontare questo, il team multidisciplinare ha ideato un approccio per monitorare i processi fotofisici che influenzano la generazione di carica in 23 diversi sistemi basati su NFA. "Con il nostro collaboratore, Denis Andrienko dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri in Germania, abbiamo sviluppato un modello conciso che ci ha permesso di correlare le nostre osservazioni sperimentali a parametri fisici e strutture chimiche, "dice ricercatore, Julien Gorenflot.

I ricercatori hanno scoperto che, contrariamente a notizie recenti, erano necessari sostanziali compensazioni di energia di ionizzazione per generare cariche. In contrasto, gli offset di affinità elettronica non sono riusciti a indurre la separazione di carica indipendentemente dalla loro grandezza. Questi risultati inaspettati derivano da un processo noto come trasferimento di energia per risonanza di Förster, che sembra competere con il trasferimento di elettroni. La postdoc Catherine De Castro spiega che "questa è una conseguenza immediata del principio progettuale delle miscele, dove donatore e accettore presentano emissioni e assorbimenti sovrapposti, che facilita il trasferimento di energia."

Il team prevede di progettare nuovi materiali che combinino una maggiore efficienza di generazione di carica con minori perdite di energia. "Ciò contribuirà a ridurre il divario di efficienza rispetto ad altre tecnologie fotovoltaiche emergenti e ad avvicinare il fotovoltaico organico alla maturità e all'applicazione, " dice Gorenflot.

Lo studio è pubblicato su Materiali della natura .