Gli scienziati della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) stanno attualmente lavorando a un progetto di ricerca congiunto per generare più elettricità dalle celle solari e condurre ulteriori ricerche sulla cosiddetta fissione singoletto con l'Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER), La fissione di singoletto degli Stati Uniti potrebbe aumentare considerevolmente l'efficienza delle celle solari, e grazie alle ultime ricerche, è un passo più vicino a diventare possibile. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica chimica .
Il consumo globale di energia è aumentato, e la tendenza al rialzo è destinata a continuare nei prossimi anni. Nel tentativo di soddisfare la domanda proteggendo l'ambiente, elettricità da solare, vento, l'acqua e le biomasse stanno acquistando importanza. Però, solo il 6% circa dell'elettricità lorda prodotta in Germania nel 2017 proveniva da impianti fotovoltaici, e la tecnologia basata sul silicio attualmente disponibile sta rapidamente raggiungendo i suoi limiti in termini di potenziale.
Le celle solari sono estremamente inefficienti nel convertire l'energia solare in elettricità. La loro efficienza è attualmente solo del 20-25 percento. Sono necessari nuovi approcci per aumentare significativamente le prestazioni delle celle solari e generare più elettricità. La risposta può essere trovata nei processi fisico-chimici che aumentano significativamente l'efficienza delle celle solari. Gli scienziati della FAU e del Centro ANSER hanno esplorato un approccio promettente come parte del loro progetto di ricerca congiunto. I ricercatori hanno studiato il cosiddetto meccanismo di fissione singoletto (SF), in cui un fotone eccita due elettroni.
Il principio della fissione singoletto è stato scoperto circa 50 anni fa, ma il suo potenziale per aumentare significativamente l'efficienza delle celle solari organiche è stato riconosciuto solo dagli scienziati negli Stati Uniti circa 10 anni fa. Da allora, ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato per acquisire una comprensione più dettagliata dei processi fondamentali e dei complessi meccanismi alla base. Insieme al Prof. Michael Wasielewski del Centro ANSER, i ricercatori della FAU sono ora riusciti a chiarire alcuni aspetti straordinariamente significativi della SF.
Quando un fotone della luce solare incontra e viene assorbito da una molecola, il livello di energia di uno degli elettroni nella molecola è aumentato. Assorbendo un fotone, una molecola organica viene così convertita in uno stato di maggiore energia. L'elettricità può quindi essere generata all'interno delle celle solari da questa energia, che viene immagazzinato temporaneamente all'interno della molecola. Lo scenario ottimale nelle celle solari convenzionali è che ogni fotone genera un elettrone come vettore per l'elettricità. Se, però, vengono utilizzati dimeri da composti chimici selezionati, due elettroni di molecole vicine possono essere convertiti in uno stato di maggiore energia. In totale, un fotone genera due elettroni eccitati, che a sua volta può essere utilizzato per produrre corrente elettrica:due sono fatti da uno. Questo processo è noto come fissione singola, e nello scenario ideale, può aumentare notevolmente le prestazioni delle celle solari. Chimici e fisici della FAU e del Centro ANSER hanno studiato il meccanismo sottostante in modo più dettagliato, portando a una comprensione considerevolmente più ampia del processo SF.
Come primo passo nella loro ricerca, gli scienziati hanno prodotto un dimero molecolare da due unità di pentacene. Questo idrocarburo è considerato un candidato promettente per l'utilizzo della fissione singoletto nelle celle solari. Hanno quindi esposto il liquido alla luce e hanno utilizzato vari metodi spettroscopici per studiare i processi fotofisici all'interno della molecola.
Ciò ha fornito ai ricercatori tre informazioni di vasta portata sul meccanismo alla base della fissione intramolecolare di singoletto. in primo luogo, sono riusciti a dimostrare che l'accoppiamento a uno stato di trasferimento di carica più elevato è essenziale per SF altamente efficiente. In secondo luogo, hanno verificato un modello per la fissione singoletto che hanno recentemente creato e pubblicato. Terzo (e ultimo), hanno dimostrato che l'efficienza di SF è chiaramente correlata alla forza con cui le due subunità del pentacene sono accoppiate.
I risultati indicano l'importanza di un'attenta pianificazione della progettazione dei materiali SF. Questa è una pietra miliare importante sulla strada verso l'utilizzo di sistemi fotovoltaici basati su SF per generare elettricità. Sono ancora necessarie ulteriori ricerche di base, però.
