Sebbene vi sia un mercato in crescita per le celle solari organiche, che contengono materiali più economici, più abbondante, e più rispettosi dell'ambiente rispetto a quelli utilizzati nei tipici pannelli solari - tendono anche ad essere meno efficienti nel convertire la luce solare in elettricità rispetto alle celle solari convenzionali.

Ora, scienziati che sono membri del Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), un nuovo centro scientifico relativo ai materiali energetici con sede presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab), hanno risolto un mistero che potrebbe portare a guadagni di efficienza.

Hanno individuato la fonte di un processo ultraveloce ed efficiente che genera diversi portatori di carica elettrica da una singola particella di luce in cristalli organici che sono parte integrante di questa forma sempre più popolare di celle solari.

Questo processo - chiamato "fissione singoletto" perché è simile alla scissione dei nuclei atomici nella fissione nucleare per creare due atomi più leggeri da uno più pesante - promette di aumentare drasticamente l'efficienza delle celle solari organiche convertendo rapidamente più energia della luce solare in cariche elettriche invece di disperderlo in calore.

Il team di ricerca ha scoperto un nuovo meccanismo che spiega come questa reazione possa avvenire in appena decine di femtosecondi (quadrillionesimi di secondo), prima che altri effetti in competizione possano rubare la loro energia. Il loro studio è stato pubblicato il 29 dicembre sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"In realtà abbiamo scoperto un nuovo meccanismo che ci permette di provare a progettare materiali migliori, " ha detto Steven G. Louie, direttore di C2SEPEM, un centro supportato dal DOE che include ricercatori del Berkeley Lab; l'Università della California, Los Angeles; l'Università del Texas ad Austin; e il Georgia Institute of Technology.

Luigi, co-responsabile dello studio, è anche uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di fisica all'Università di Berkeley. C2SEPEM si concentra sullo sviluppo di teorie, metodi, e software per aiutare a spiegare processi complessi nei materiali legati all'energia.

Nel processo di scissione, una particella composita composta da un elettrone, che ha una carica negativa, e la sua lacuna partner - una posizione elettronica vuota nella struttura atomica di un materiale che si comporta come una particella nel portare una carica positiva - si converte rapidamente in due coppie elettrone-lacuna. Questo raddoppia il potenziale di trasporto di carica nel materiale evitando la perdita di energia sotto forma di calore.

"Ci sono ancora molte cose che non capiamo sulla fisica fondamentale di questo processo nei materiali cristallini su cui speriamo di far luce, " ha detto Jeffrey B. Neaton, direttore associato di C2SEPEM, che ha co-diretto lo studio con Louie.

Neaton è anche il direttore del laboratorio associato per le scienze energetiche presso il Berkeley Lab, il direttore della fonderia molecolare del Berkeley Lab, e professore di fisica all'Università di Berkeley. "Il metodo di calcolo che abbiamo sviluppato è molto predittivo, e l'abbiamo usato per comprendere la fissione singoletto in un modo nuovo che potrebbe permetterci di progettare materiali ancora più efficienti nel raccogliere luce, Per esempio."

Louie ha notato che molti sforzi passati si erano concentrati su poche molecole all'interno del materiale - in questo caso, la forma cristallizzata del pentacene, che è composto da idrogeno e carbonio - per conoscere questi effetti esotici. Ma tali approcci potrebbero aver semplificato eccessivamente gli effetti che guidano la fissione singoletto.

"Ci sono stati molti sforzi teorici per cercare di capire cosa sta succedendo, " Egli ha detto.

In questo ultimo studio, il team di ricerca ha iniziato con una visione su larga scala della struttura complessiva del pentacene cristallizzato, e in particolare la sua simmetria - i modelli ripetuti nella sua struttura atomica.

"È come cercare di spiegare l'oceano osservandolo molecola per molecola, o guardando un'onda intera, " ha detto Felipe H. da Jornada, un co-autore principale dello studio con Sivan Refaely-Abramson. Entrambi sono ricercatori post-dottorato presso Berkeley Lab e UC Berkeley e sono anche affiliati a C2SEPEM.

"Il nostro approccio cattura direttamente l'intero cristallo, "non importa la dimensione, ha notato.

Il team ha utilizzato calcoli eseguiti in parte presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, e risorse di supercalcolo presso il Centro di calcolo scientifico per la ricerca energetica nazionale del laboratorio per sviluppare, modello, e testare le loro nuove teorie sul processo di fissione.

"Crediamo che queste teorie possano essere applicate anche a materiali molto diversi, " disse Refaely-Abramson, "e in questo senso, la teoria è molto importante." Esperimenti precedenti avevano perso alcuni degli importanti indizi sul ruolo della struttura cristallina nel meccanismo di fissione del singoletto.

Lo studio conclude che per raddoppiare efficacemente queste coppie elettrone-lacuna, il materiale campionato dovrebbe mostrare un tipo specifico di simmetria, o combinazioni ripetute di molecole, all'interno della sua struttura cristallina - proprio come il pavimento di una stanza può mostrare una moltitudine di semplici, ripetizione di modelli utilizzando le stesse tessere.

L'efficienza del processo di fissione singoletto sembra dipendere fortemente dal numero di molecole racchiuse all'interno di ogni schema ripetitivo o "motivo" nel cristallo, e su un particolare tipo di simmetria quella in cui si ha una rotazione e specchiatura di 180 gradi di questi motivi. Questa relazione tra simmetria ed efficienza, i ricercatori hanno scoperto, permette loro di fare potenti previsioni sull'efficienza della fissione complessiva.

Queste previsioni possono essere possibili solo, anche se, se le coppie elettrone-lacuna nel campione si comportano come oggetti ondulati che si muovono attraverso l'intero cristallo come onde in un oceano. Questo approccio ha anche fornito loro nuove informazioni sul processo di scissione, e come le coppie appena create devono comportarsi come onde che si propagano in direzioni opposte.

Ci sono ancora diversi passaggi che devono essere elaborati per rendere questi risultati più rilevanti per le applicazioni del mondo reale, hanno notato i ricercatori. Nelle celle solari, Per esempio, gli elettroni devono essere liberati in modo efficiente dal loro accoppiamento con i fori per raccogliere la loro energia e migliorare le prestazioni del pannello solare.

Comprendere il raddoppio dei portatori di carica in un materiale può aiutare i ricercatori a spiegare e progettare meglio i processi inversi, anche - come la tecnologia utilizzata in alcuni display di telefoni cellulari che riduce il numero di portatori di carica (un processo noto come fusione tripletta), disse Neaton.

Louie ha notato che il team multidisciplinare che è stato assemblato per lo studio, un aspetto chiave del centro C2SEPEM, è stato fondamentale nell'introdurre un nuovo modo di pensare per affrontare un problema vecchio di decenni.

"Questo è uno dei primi temi importanti che potremmo affrontare, e ora è giunto a compimento, " Egli ha detto.