I ricercatori hanno scoperto perché i nuovi tipi di materiali solari sono così bravi a raccogliere la luce e hanno fornito regole di progettazione per migliorarli.

Questo apre l'opportunità di progettare celle solari flessibili, che potrebbe essere utilizzato negli edifici e nell'abbigliamento.

I tradizionali pannelli solari sono realizzati in materiale duro, materiali a base di silicio che sono efficienti ma relativamente costosi e poco adattabili. Le nuove celle solari "organiche" sono invece molto più flessibili, sia in termini di come possono essere adattate modificando la chimica, e come possono essere piegati fisicamente.

I materiali solari organici possono essere prodotti anche come inchiostri, il che significa che i dispositivi basati su questi materiali possono essere prodotti in serie a basso costo mediante spruzzatura o stampa.

Però, Le celle solari organiche non sono attualmente così efficienti nel trasformare l'energia luminosa in elettricità come le comuni celle solari al silicio. Gli scienziati hanno recentemente compiuto progressi con nuovi tipi di materiali organici, ma non sapevano esattamente come i nuovi materiali riescano a raggiungere questi livelli di efficienza, impedendo loro di renderli ancora migliori.

Ora, in una nuova ricerca pubblicata questa settimana in Materiali della natura , ricercatori di un grande team internazionale, compreso l'Imperial College di Londra, hanno determinato come funzionano i nuovi materiali, e come possono essere ulteriormente migliorati.

Efficienza sconosciuta
Dottor Artem Bakulin, dal Dipartimento di Chimica dell'Imperial, ha dichiarato:"La natura leggera e flessibile delle celle solari organiche significa che possono essere modellate in qualsiasi forma desideriamo. C'è un grande potenziale per le celle solari organiche da integrare in edifici e veicoli, o addirittura essere incorporati nei tessuti che indossiamo. A buon mercato, i pannelli solari leggeri possono anche essere facilmente trasportati e installati in parti del mondo senza alimentazione."

I ricercatori sapevano che nei materiali organici c'erano grandi perdite di energia, il che significa che non erano efficienti nel convertire l'energia solare in elettricità.

Questo perché parte dell'energia proveniente dalle particelle di luce (fotoni) deve essere utilizzata per la "separazione di carica" ​​- per aiutare le cariche elettriche (i cosiddetti "elettroni" e "buchi") create dai fotoni ad allontanarsi l'una dall'altra, in modo che possano successivamente generare corrente elettrica.

Nella stragrande maggioranza delle celle solari organiche sviluppate negli ultimi 30 anni, almeno il 30 per cento dell'energia trasportata dai fotoni si perde nella separazione di carica. Negli ultimi due anni però, è stata introdotta una nuova classe di materiali organici, comunemente noti come "accettori non fullereni" (NFA).

Gli NFA hanno contribuito a ridurre quasi della metà le perdite per separazione di carica e hanno portato l'efficienza delle celle solari organiche a circa il 14%. Questo è notevole, dato che il limite teorico di efficienza è intorno al 30 per cento, e le celle al silicio più comuni possono raggiungere il 25% in ambienti di laboratorio.

Nuove regole per nuovi materiali
In collaborazione con altri sei gruppi in tutto il mondo, I ricercatori Imperial hanno sviluppato e studiato un ampio set di celle solari efficienti basate su NFA e hanno scoperto una possibile ragione alla base delle loro prestazioni di successo.

Utilizzando tecniche laser ultraveloci avanzate hanno osservato che in questi dispositivi, gli elettroni e le lacune che sono legati insieme e incapaci di generare corrente non vengono persi, ma possono riconvertirsi allo stato eccitato iniziale con un'energia corrispondente al fotone che li ha creati. In questo modo, le perdite di energia sono ridotte e l'efficienza del dispositivo può raggiungere i valori record.

Con la loro nuova comprensione, il team ha anche formulato la serie chiave di regole che potrebbero portare a celle solari organiche ancora più efficienti in futuro.

I ricercatori dei sette istituti di ricerca negli Stati Uniti, Cina ed Europa hanno prodotto insieme una dozzina di materiali diversi, alcuni dei quali segnalati in precedenza ed altri completamente nuovi. Li hanno usati per dimostrare che le regole proposte concordano con i risultati sperimentali, nonostante alcune regole capovolgano le idee precedenti.

Tom Hopper, dal Dipartimento di Chimica dell'Imperial, ha dichiarato:"Finora lo sviluppo di materiali per celle solari organiche è stato per lo più effettuato mediante un approccio sintetico per tentativi ed errori. Ci auguriamo che le regole di progettazione che abbiamo stabilito siano utili agli scienziati interessati allo sviluppo di celle solari organiche efficienti ."