a) Livelli energetici dei semiconduttori organici misurati mediante UPS, LE-IPES e CV. b,c) Grafici che mostrano la correlazione tra Eoxd e IE (misurato tramite UPS) (b) e Erosso e EA (misurata tramite LE-IPES) (c) di polimeri donatori. d) Grafico a dispersione che mostra la differenza tra Eoxd e IE dei materiali in funzione di IE. Credito:Materiali avanzati (2022). DOI:10.1002/adma.202202575
I ricercatori KAUST hanno dimostrato che una mancata corrispondenza elettronica tra le coppie di materiali utilizzati per realizzare le celle solari organiche può migliorare il funzionamento delle cellule. La scoperta a sorpresa, pubblicata in Materiali avanzati e realizzato a seguito di una rianalisi completa di materiali solari organici all'avanguardia, dovrebbe consentire ai ricercatori di prevedere nuove formulazioni organiche con elevate prestazioni delle celle solari.
Lo strato che cattura la luce delle celle solari organiche è tipicamente costituito da una miscela a due componenti chiamata miscela donatore-accettore. Alla luce del sole, l'energia in entrata può eccitare gli elettroni per saltare tra i diversi livelli di energia nella miscela, suggerendo che l'allineamento del livello di energia tra il donatore e il componente accettore dovrebbe essere la chiave per le prestazioni del dispositivo. Tuttavia, diversi gruppi di ricerca hanno utilizzato metodi diversi per misurare i livelli di energia e hanno prodotto risultati contraddittori sull'effetto dell'allineamento dei livelli di energia.
"Volevamo capire l'origine di questa comprensione contraddittoria", afferma Anirudh Sharma, un post-dottorato nel laboratorio di Derya Baran, che ha guidato il lavoro. "Questo ci ha motivato a studiare i livelli energetici dei materiali organici delle celle solari utilizzando metodi diversi per stabilire relazioni significative tra materiale e proprietà", afferma.
Il team ha determinato i livelli di energia di 33 materiali solari organici utilizzando quattro diverse tecniche. "I nostri risultati mostrano che i livelli di energia dei semiconduttori organici misurati utilizzando la spettroscopia fotoelettronica e fotoelettronica inversa a bassa energia sono strettamente correlati alle proprietà delle celle solari", afferma Jules Bertrandie, un Ph.D. studente nel gruppo di Baran. Osserva che la voltammetria ciclica, al contrario, ha fornito risultati fuorvianti nel contesto dei livelli di energia delle celle solari.
Dopo aver stabilito i metodi migliori per la misurazione, il team ha analizzato l'allineamento del livello energetico in 12 miscele di celle solari organiche donatore-accettore. I risultati hanno mostrato, contrariamente alla credenza attuale, che le miscele con poca o nessuna differenza in una metrica del livello di energia, nota come energia di ionizzazione, hanno prestazioni scarse. Le celle solari organiche con le migliori prestazioni avevano una differenza significativa nell'energia di ionizzazione tra il componente donatore e quello accettore nella miscela.
"Non siamo rimasti sorpresi dal fatto che la nostra proposta per un nuovo tipo di misurazione del livello di energia sarebbe stata più affidabile, ma siamo rimasti sorpresi dal fatto che la nostra ipotesi abbia rivelato che ciò che si crede comunemente in letteratura in realtà non è vero", afferma Baran. "Questo metodo ha un enorme potenziale per rivelare nuovi sistemi di coppia donatore-accettore che potrebbero funzionare bene nelle celle solari organiche ed evidenzierebbe anche quali coppie non funzioneranno", aggiunge.
Il significato del risultato va oltre la ricerca solare, osserva Sharma. "Le implicazioni di questo studio sono rilevanti per un campo più ampio dell'elettronica organica in generale", afferma. + Esplora ulteriormente
