La creazione della prossima generazione di celle solari e sensori richiede uno sguardo ravvicinato a come la luce interagisce con i materiali sensibili alla luce. La ricerca presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sta portando avanti questa comprensione verso un futuro con flessibilità, celle solari ad alta efficienza e strumenti ottici all'avanguardia.

Progettare nuove tecnologie che sfruttano la luce utilizzando materiali organici, gli scienziati stanno esplorando le funzioni molecolari di base in gioco. Per esempio, l'uso di componenti a base di carbonio appositamente progettati potrebbe consentire flessibilità, celle solari a film sottile, o fotovoltaico. Questo tipo di materiale potrebbe consentire qualsiasi cosa, dai vetri oscurati per la generazione di energia ai caricabatterie portatili, espandere l'energia solare ben oltre il tradizionale, pannelli del tetto a base di silicio. Però, molto resta da scoprire su quali elementi costitutivi per questi fotovoltaici organici forniranno un'elevata efficienza, durata e basso costo.

"In alcuni modi, il fotovoltaico oggi è come la prima industria automobilistica, "ha detto Richard Schaller, un chimico fisico all'Argonne e professore alla Northwestern University. "Una dozzina o più di approcci ingegneristici e materiali diversi mirano tutti a utilizzare l'energia solare, ma si rivolgono a più mercati identificati, oltre a rispondere a diversi fattori di costo e prestazioni."

Tali materiali si estendono spessi, inorganici cristallini di elevata purezza come il silicio a basso costo, plastiche organiche molto più sottili e piccole molecole che richiedono meno energia iniziale per essere fabbricate.

Il cuore delle celle solari organiche è composto da regioni separate note come donatori di elettroni e accettori di elettroni. Quando i fotoni della luce solare colpiscono queste regioni, i fotoni depositano energia in elettroni carichi negativamente, che sono eccitati e producono buchi carichi positivamente dove si trovavano gli elettroni. Queste coppie elettrone-lacuna si uniscono a causa della loro carica opposta e sono chiamate eccitoni. Quando gli eccitoni incontrano l'interfaccia tra donatore e accettore, possono dividere, facilitando il trasferimento separato di elettroni che si spostano verso un elettrodo e fori verso l'altro, generando una corrente.

Sferico, molecole cave di carbonio note come fullereni producono grandi accettori all'interno di una cellula, ma i fullereni hanno degli svantaggi, disse Lin Chen, un Distinguished Fellow ad Argonne e professore di chimica alla Northwestern University.

"Fullerene è difficile da sintetizzare, e più costoso in peso dell'oro, " ha detto. "È stato un processo in corso per trovare accettori non fullereni che siano convenienti e robusti per celle solari organiche di lunga durata".

Chen, Schaller e colleghi stanno studiando i derivati ​​della perilendiimmide (PDI), che sono potenziali alternative ai fullereni basate su una classe di pigmenti economici. In un recente studio, i ricercatori hanno esaminato sei varianti di PDI sintetizzate da Luping Yu, un coautore dello studio e professore di chimica presso l'Università di Chicago, e i suoi colleghi. L'obiettivo era vedere come i cambiamenti nella struttura molecolare influissero sull'efficienza di conversione della luce delle PDI.

Queste molecole PDI sono collegate tra loro in coppie chiamate dimeri per migliorare le loro comunicazioni elettroniche con i materiali dei donatori. Lo studio ha confrontato le attività tra questi dimeri con linker di diversa lunghezza e rigidità. La ricerca, che è stato pubblicato sulla rivista Scienze chimiche nel mese di giugno, 2020, competenze sperimentali e teoriche combinate tra i collaboratori per assemblare la caratterizzazione più completa di diverse strutture PDI per il fotovoltaico.

Sul versante sperimentale, i ricercatori hanno esaminato i dimeri con spettroscopia di emissione ultraveloce e assorbimento transitorio per misurare in tempo reale la dinamica della generazione di eccitoni, evoluzione e decadenza. Questi studi ottici, che aiutano a tracciare sensibilmente l'attività degli eccitoni registrando diversi spettri di luce mentre i fotoni vengono assorbiti o emessi dal materiale, sono stati condotti presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Le misurazioni della luce risolte nel tempo sono state convalidate tramite calcoli completi da George Schatz, coautore dello studio e professore di chimica alla Northwestern University, che insieme ai colleghi ha esaminato la dipendenza strutturale dei livelli energetici in queste molecole, come il modo in cui il linker tra due PDI modifica la densità del flusso di elettroni tra di loro.

In uno studio separato, Chen, Schaller e colleghi hanno valutato l'attività eccitonica di molecole assemblate note come strutture organiche covalenti bidimensionali, o COF 2D, progettato dal coautore dello studio William Dichtel e dai colleghi della Northwestern University. I COF possono essere utilizzati nei diodi a emissione di luce, sensori chimici e fotovoltaici:la loro precisione geometrica si presta a un trasporto efficiente di energia. Ma si sa poco su come si comportano effettivamente gli elettroni in questi materiali emergenti.

I COF 2D assomigliano a fiocchi di neve che possono essere impilati o collegati per creare una rete di trasporto di elettroni. Mentre si uniscono, le loro proprietà cambiano, e i ricercatori volevano sapere perché. Hanno ispezionato queste strutture cristalline, ancora utilizzando la spettroscopia di assorbimento transitorio presso la Northwestern University e il CNM e anche la linea di luce del DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) presso l'Advanced Photon Source, un DOE Office of Science User Facility ad Argonne.

La polvere disperde la luce in misura tale da rendere difficile la caratterizzazione con la spettroscopia. Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno creato una soluzione colloidale di COF, consentendo una caratterizzazione fotofisica che altrimenti non sarebbe stata possibile.

"I COF colloidali sono in una fase piuttosto precoce, " ha detto Schaller. "In passato, sono stati fatti solo come polveri solide, e quindi anche solo studiare le loro proprietà è stata una sfida che William Dichtel è stato in grado di affrontare".

La spettroscopia è stata utilizzata per misurare l'attività degli elettroni, mentre la linea di luce DND-CAT ha aiutato a misurare le dimensioni e l'impaccamento molecolare del dominio cristallino dei COF.

"Abbiamo scoperto un'altissima mobilità degli eccitoni nei COF 2D, che era inaspettato, " Ha detto Chen. "I risultati rafforzano la promessa di queste strutture per potenziali applicazioni optoelettroniche".

I risultati del team sono dettagliati nel documento "Grandi coefficienti di diffusione degli eccitoni in strutture organiche covalenti bidimensionali con diverse dimensioni di dominio rivelate dalla dinamica degli eccitoni ultraveloci, " che è stato pubblicato lo scorso luglio nel Giornale della Società Chimica Americana .