Comprendere come le particelle viaggiano attraverso un dispositivo è fondamentale per migliorare l'efficienza delle celle solari. Ricercatori di KAUST, lavorando con un team internazionale di scienziati, hanno ora sviluppato una serie di linee guida di progettazione per migliorare le prestazioni dei materiali molecolari.

Quando un pacchetto di luce, o fotone, viene assorbito da un semiconduttore, genera una coppia di particelle note come eccitone. Un elettrone è una parte di questa coppia; l'altro è il suo equivalente caricato positivamente, chiamato buco. Gli eccitoni sono elettricamente neutri, quindi è impossibile metterli in moto applicando un campo elettrico. Invece gli eccitoni "saltano" con un movimento o una diffusione casuale. La dissociazione degli eccitoni in cariche è necessaria per creare una corrente ma è altamente improbabile in un semiconduttore organico.

"Così in genere, dobbiamo fondere due semiconduttori, un cosiddetto donatore di elettroni e un accettore di elettroni, generare in modo efficiente addebiti gratuiti, " spiega Yuliar Firdaus. "I materiali del donatore e dell'accettore penetrano l'uno nell'altro; massimizzare la lunghezza di diffusione dell'eccitone, la distanza che l'eccitone può percorrere prima di ricombinarsi e perdersi, è fondamentale per ottimizzare le prestazioni della cella solare organica.

Molte precedenti celle solari organiche sono state realizzate mescolando un polimero con molecole, noti come fullereni. Ma più recentemente, la sostituzione del fullerene con altri materiali organici come le piccole molecole non fullerene ha prodotto notevoli miglioramenti nell'efficienza del dispositivo.

Firdaus e colleghi hanno combinato le misurazioni della fotocorrente con la spettroscopia ultraveloce per calcolare la lunghezza di diffusione di un'ampia varietà di molecole non fullerene. Hanno osservato lunghezze di diffusione degli eccitoni molto lunghe, nell'intervallo da 20 a 47 nanometri, un miglioramento rispetto all'intervallo da 5 a 10 nanometri caratteristico dei fullereni.

Per comprendere meglio questo miglioramento, il team ha confrontato i dati che descrivono la struttura cristallografica delle molecole con calcoli di chimica quantistica. In questo modo potrebbero identificare le relazioni chiave tra la struttura chimica della molecola e la lunghezza di diffusione. Stabiliti questi collegamenti, gli scienziati hanno sviluppato una serie di regole per aiutare nella sintesi di materiali migliorati e, in definitiva, aiutare la progettazione di dispositivi fotovoltaici organici con una migliore efficienza di conversione.

"Prossimo, abbiamo in programma di studiare come i processi di elaborazione del film potrebbero influenzare la velocità di trasferimento degli eccitoni degli accettori di piccole molecole esistenti, " afferma Firdaus. "Siamo anche interessati a tradurre le regole di progettazione molecolare per sintetizzare nuovi materiali accettori con prestazioni migliori".