Un materiale poco costoso, composto da scaglie di disolfuro di tungsteno dello spessore di pochi atomi, ha contribuito a migliorare le prestazioni delle celle solari organiche1. La scoperta dei ricercatori KAUST potrebbe essere un passo importante verso l'utilizzo più ampio di queste celle fotovoltaiche per la generazione di elettricità pulita.

La maggior parte delle celle solari utilizza il silicio per assorbire la luce e convertire la sua energia in elettricità. Ma le molecole di semiconduttori a base di carbonio, utilizzato nel fotovoltaico organico (OPV), offrono alcuni vantaggi distinti rispetto al silicio. Gli OPV tendono ad essere flessibili, Per esempio, il che significa che potrebbero essere prodotti su larga scala utilizzando la stampa roll-to-roll a basso costo. Ma i migliori OPV convertono circa il 16-17 percento della luce che catturano in energia elettrica, ben al di sotto delle celle al silicio commerciali che superano il 20 percento.

Thomas D. Anthopoulos, e colleghi del KAUST Solar Center, hanno stimato che gli OPV potrebbero competere con tali prestazioni se alcune parti della cella fossero migliorate2. Quando la luce colpisce il semiconduttore, libera elettroni dal materiale e lascia buchi carichi positivamente. Elettroni e lacune vengono raccolti da diversi strati sulle facce opposte del semiconduttore e inviati agli elettrodi della cella per generare una corrente. Il principale trasportatore di fori è un polimero chiamato PEDOT:PSS, ma è acido e assorbe l'umidità dall'aria, che degrada altri materiali nella cella solare.

Il team interdisciplinare di Anthopoulos ha ora sviluppato uno strato trasportatore di buchi realizzato con scaglie di un materiale 2-D, disolfuro di tungsteno. I ricercatori hanno usato gli ultrasuoni per strappare i fiocchi di disolfuro di tungsteno in polvere sospeso in una miscela di acqua ed etanolo. Questo metodo di sonicazione è economico e facile da scalare, e i fiocchi possono essere spalmati su un elettrodo utilizzando un processo di spin-coating semplice e ampiamente utilizzato.

Il team ha fabbricato diversi OPV in questo modo, e il migliore aveva un'efficienza di conversione di potenza del 17%, che è il più alto per qualsiasi OPV che utilizza un materiale 2-D come trasportatore di fori e tra i più alti per qualsiasi OPV. "Siamo rimasti molto sorpresi di raggiungere il 17%, "dice Yuanbao Lin, un dottorato di ricerca studente della squadra. "Riteniamo che questo sia solo l'inizio e che ci siano notevoli margini di miglioramento delle prestazioni".

Il team ha scoperto che lo strato di disolfuro di tungsteno ha una resistenza inferiore rispetto a PEDOT:PSS ed è anche migliore nel raccogliere buchi rispetto al suo rivale, portando a prestazioni migliori. "Il nostro obiettivo immediato è quello di spingere l'efficienza delle nostre celle solari organiche ben oltre il 17% e verso i nostri limiti teoricamente previsti, " dice Anthopoulos. "Miriamo anche a studiare la stabilità di queste celle solari organiche ad alta efficienza".