Gli elevati FF (~ 70%) delle celle solari a miscela interamente polimerica sono stati raggiunti a causa della maggiore durata dei portatori di carica dovuta ai coefficienti di ricombinazione della carica bimolecolare inferiori. La morfologia della miscela preferita per sopprimere la ricombinazione della carica bimolecolare è caratterizzata da una struttura locale ben ordinata dovuta all'aggregazione della catena sia da parte del donatore di polimero (D) che dell'accettore (A). Credito:Hiroaki Benten
Le celle solari contribuiscono in modo importante alla fornitura di energia rinnovabile, ma i rifiuti dei pannelli solari diventeranno rapidamente un problema enorme. Ora, in uno studio recentemente pubblicato su Journal of Materials Chemistry A , i ricercatori del Nara Institute of Science and Technology (NAIST) hanno studiato la scienza che potrebbe aiutare a migliorare l'utilità di celle solari interamente polimeriche facilmente producibili in serie.
A livello globale, circa un terzo dell'elettricità proviene attualmente da fonti rinnovabili. Le celle solari a base di silicio sono il principale contributore, ma c'è un problema crescente:cosa fare con i pannelli dopo i loro 30 anni di vita. Un articolo di maggio 2022 in Notizie chimiche e ingegneristiche pone il problema:anche quando gli impianti riciclano i telai e le coperture dei pannelli, gli elementi più pregiati o addirittura tossici vengono semplicemente smaltiti. Con una prevista produzione di 80 milioni di tonnellate di rifiuti di pannelli solari entro il 2050, questo è un enorme problema di rifiuti.
Le celle solari a base di polimeri sono una possibile soluzione meno dispendiosa. Tali pannelli sono sottili e flessibili e quindi sono in linea di principio abbastanza versatili. Tuttavia, hanno alcuni problemi; ad esempio, un'efficienza di conversione di potenza inferiore rispetto al silicio. "Questa efficienza è sostanzialmente limitata dai fattori di riempimento:comunemente meno del 60%, anche nei dispositivi avanzati", afferma l'autore corrispondente Hiroaki Benten del Nara Institute of Science and Technology. "La scienza alla base dell'efficienza limitata delle celle solari a miscela di soli polimeri rimane insufficientemente inesplorata."
Un risultato innovativo di questa ricerca è l'alto fattore di riempimento:70%, che è rimasto del 60% anche per film polimerici spessi diverse centinaia di nanometri. La tecnologia dei polimeri concorrente mostra un fattore di riempimento del 40% a questo spessore. Questo perché la ricombinazione bimolecolare di elettroni liberi con lacune libere ha sostanzialmente inibito il fattore di riempimento del lavoro precedente, ma è stata soppressa nel presente studio.
Cosa ha soppresso la ricombinazione bimolecolare all'interno delle miscele polimeriche? "C'era una sostanziale delocalizzazione della carica nei domini del donatore e dell'accettore", spiega Masakazu Nakamura, autore senior. "Un'appropriata aggregazione dei donatori e accettori del polimero ha portato a una struttura locale sostanzialmente ordinata del polimero, che ha contribuito a mantenere la separazione degli elettroni dai buchi."
Anche se i ricercatori risolvono completamente il problema dell'efficienza delle celle solari interamente polimeriche, dovranno comunque migliorare la durata di 10 anni dei prototipi di ricerca più avanzati. Ulteriori sforzi di ricerca includono l'ottimizzazione della morfologia del film e persino lo sviluppo di celle solari ibride polimero/silicio, per ottimizzare la raccolta e l'efficienza dell'energia. Nei prossimi anni, le celle solari potrebbero apparire e funzionare completamente diverse dalla tecnologia moderna e migliore. + Esplora ulteriormente
