Le celle solari organiche hanno il potenziale per diventare una fonte di energia rinnovabile che è poco costosa e veloce da implementare e scalare. I fisici dell'Università di Oxford hanno esplorato alcuni dei fondamenti scientifici di come queste cellule si formano e si comportano.

L'energia solare rappresenta attualmente meno del 2% dell'elettricità generata in tutto il mondo, ma potrebbe dare un grande contributo alla sostenibilità. Raggiungere la scala implica distribuirlo su un'ampia superficie. "Abbiamo bisogno di diverse migliaia di chilometri quadrati per intaccare l'approvvigionamento energetico mondiale, quindi la capacità di crescere rapidamente e a basso costo è vitale, "dice il professor Moritz Riede, il ricercatore principale per OSC Go e professore associato di nanomateriali funzionali morbidi a Oxford. "Vorresti essere in grado di rivestire chilometri quadrati con celle solari in modo economico e veloce".

La maggior parte dei sistemi solari disponibili in commercio si basa su semiconduttori di silicio inorganico. Biologico, il fotovoltaico a base di carbonio potrebbe offrire molti vantaggi:sono leggeri e flessibili, può essere di diversi colori, e sono fatti a buon mercato, utilizzando processi a bassa temperatura. Sfortunatamente, attualmente sono anche molto meno efficienti nel convertire la luce solare in elettricità rispetto ai sistemi convenzionali a base di silicio.

Il team di OSC Go ha trascorso gli ultimi quattro anni ad esplorare alcune delle domande fondamentali su come vengono realizzate le celle solari organiche (OSC) al fine di migliorarne le prestazioni.

Osservando la deposizione

Le relazioni struttura-proprietà sono state al centro della loro ricerca poiché la disposizione delle molecole all'interno di una cella solare organica può avere un grande impatto sulle sue prestazioni. Il team ha escogitato modi per utilizzare la luce di varie lunghezze d'onda, dai raggi X al vicino infrarosso, per sondare il modo in cui le molecole si dispongono in film sottili. "Questo è di solito studiato quando è completamente formato, dopo che il processo è finito, ma possiamo osservare le molecole durante il processo di deposizione, "dice il prof. Riede, "così possiamo vedere come le molecole si impacchettano e cosa possiamo fare per manipolare la loro disposizione".

Utilizzando Fullerene C60, un materiale spesso utilizzato per realizzare OSC, il team è riuscito a osservare come i difetti possono formarsi in questi film sottili e persino influenzare il risultato. "Abbiamo osservato faglie C-stacking in una particolare direzione molecolare, "dice il prof. Riede, "questo ci ha fornito un importante punto di dati a livello strutturale per interpretare le prestazioni di tali dispositivi".

Grandi modelli di ruolo

In una cella solare organica, la luce solare viene assorbita negli strati fotoattivi solitamente costituiti da una miscela di due materiali – donatori di elettroni e molecole accettore – dove viene convertita in elettricità. I ricercatori dell'OSC Go hanno dedicato del tempo a valutare le prestazioni delle celle solari a eterogiunzione diluita, quelle in cui il contenuto del donatore è pari o inferiore al 5%.

"Si è scoperto che questi dispositivi funzionano sorprendentemente bene, "dice il prof. Riede, "quindi abbiamo cercato nelle celle C60 pure per vedere come le molecole si impacchettano e come si impacchettano e si comportano in presenza di altre molecole. Questi dispositivi sono eccellenti sistemi modello e abbiamo cercato di unire i risultati microstrutturali con quelli fotofisici".

L'effetto dei cambiamenti nella microstruttura sulle prestazioni dei dispositivi è stata una terza area di studio. In collaborazione con l'azienda chimica Merck, il team ha studiato cosa succede quando il film OSC è sottoposto a temperature elevate o esposto alla luce solare per lunghi periodi di tempo, che faranno durante il funzionamento. "Abbiamo misurato i cambiamenti nella microstruttura con raggi X e altri metodi e siamo stati in grado di mettere in relazione questi cambiamenti con i cambiamenti nelle prestazioni degli OSC, "dice il prof. Riede, "quindi questo ci permette di cercare modi per inibirlo".

Una migliore comprensione di ciò che sta accadendo su scala nanometrica sarà molto utile quando si tratta di scegliere quali materiali utilizzare per realizzare OSC efficienti, Il prof. Riede crede.

"C'è una miriade di materiali che puoi usare e si possono mettere a punto i materiali e migliorare le loro prestazioni con un design chimico intelligente e buone condizioni di produzione, " lui dice, "ma per poterlo fare, devi anche essere in grado di capire i fondamenti."