In una cella solare, quando la luce (freccia verde) viene assorbita da un semiconduttore organico, un elettrone (-) può rimanere associato a una lacuna (+), oppure trasferirsi oltre un raggio critico (rc) e formare un vettore libero. Immagini:spazio reale (a sinistra), energia di Gibbs (a destra). Credito:Obadiah Reid e Al Hicks, National Renewable Energy Laboratory
Le celle solari basate su molecole organiche offrono potenziali vantaggi rispetto ai dispositivi convenzionali per convertire la luce in elettricità. Queste celle solari organiche potrebbero essere economiche, durevoli e facili da realizzare. Tuttavia, le cellule organiche non hanno ancora le prestazioni che corrispondono ai dispositivi convenzionali. Gli sforzi degli scienziati per migliorare le prestazioni sono stati limitati dalla loro limitata comprensione di come gli elettroni eccitati dalla luce (o "fotoeccitati") diventano "portatori liberi".
In linea di principio, i vettori liberi fluiscono attraverso un materiale ed emergono come corrente elettrica. Precedenti studi scientifici suggeriscono che la fotoeccitazione porta a una coppia strettamente legata composta da un elettrone e una lacuna. Questi studi non descrivono come superare le forti forze di legame per formare portatori liberi. Questo nuovo studio rivela che più siti su molecole vicine possono accettare elettroni, spiegando come si formano direttamente portatori liberi.
Pubblicato in Materials Horizons , questa ricerca ha sviluppato un nuovo modello chiamato Distribution Range Electron Transfer (DRET). I precedenti modelli per la generazione di vettori liberi nelle celle solari organiche hanno generalmente invocato nuovi fenomeni fisici per spiegare i risultati sperimentali. In particolare, hanno affermato che i vettori liberi possono formarsi con un'efficienza che si avvicina al 100% in un materiale in cui le cariche opposte sono tradizionalmente difficili da separare e utilizzare.
In questo nuovo studio, gli scienziati suggeriscono un'alternativa più semplice utilizzando concetti consolidati. Si basano su un semplice modello di processi che trasferiscono elettroni nelle molecole, noto come teoria di Marcus, un modello per il quale Rudy Marcus ha ricevuto un premio Nobel nel 1992. Il nuovo modello DRET potrebbe aprire nuovi percorsi verso celle solari organiche efficienti.
Sviluppato dai ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL), il nuovo modello spiega la generazione di vettori liberi nelle celle solari organiche utilizzando concetti consolidati tra cui la teoria di Marcus per il trasferimento di elettroni, combinata con una considerazione dell'entropia associata all'interfaccia di trasferimento di carica e al possibilità di eventi di trasferimento a lungo raggio. Il modello mostra che le regole di progettazione esistenti per i processi di trasferimento di elettroni in fase di soluzione possono essere applicate ai sistemi fotovoltaici organici.
Queste regole includono, in primo luogo, che la forza motrice viene calcolata utilizzando il noto termine energetico di Gibbs. In secondo luogo, viene identificato il ruolo della riorganizzazione energetica. In terzo luogo, vengono identificati i fattori che controllano la dipendenza dalla distanza dell'accoppiamento elettronico.
Il modello si adatta ai dati sperimentali raccolti utilizzando esperimenti di conducibilità a microonde risolti nel tempo per mappare i regimi normale, ottimale e invertito per l'efficienza di generazione del vettore libero. L'accordo qualitativo con i comportamenti a lungo osservati nei dispositivi fotovoltaici organici fornisce una piattaforma unificata per comprendere i prodotti del trasferimento di elettroni fotoindotti sia nei sistemi in soluzione che in quelli in fase solida. L'integrazione di questo nuovo modello che cattura efficacemente la natura molecolare discreta dei componenti che compongono la struttura gerarchica delle celle solari organiche può consentire ai ricercatori di sviluppare materiali per processi di generazione di carica più efficienti. + Esplora ulteriormente
