I ricercatori dell'Università di Linköping hanno scoperto un fenomeno quantistico che influenza la formazione di cariche libere nelle celle solari organiche. "Se riusciamo a capire bene cosa sta succedendo, possiamo aumentare l'efficienza, "dice Olle Inganäs, professore emerito.

Il dottorando Qingzhen Bian ha ottenuto risultati inaspettati quando ha avviato un esperimento per ottimizzare un materiale per celle solari costituito da due polimeri che assorbono la luce e un materiale accettore. Olle Inganäs, professore emerito della Divisione di Elettronica Biomolecolare e Organica gli ha chiesto di ripetere l'esperimento per eliminare la possibilità di errori di misura. Di volta in volta, e negli esperimenti condotti sia alla LiU che dai colleghi di Lund, è successa la stessa cosa:una minuscola forma d'onda periodica della durata di poche centinaia di femtosecondi è apparsa nella firma dell'assorbimento ottico come una fotocorrente formata nel materiale della cella solare. Cosa stava succedendo?

La spiegazione è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura .

Alcuni retroscena:quando la luce sotto forma di fotoni viene assorbita in un polimero semiconduttore, si forma un eccitone. Gli eccitoni sono coppie elettrone-lacuna legate nel polimero. Gli elettroni non vengono rilasciati, e il trasporto di cariche, la fotocorrente, non sorge. Quando il polimero donatore di elettroni viene miscelato con una molecola che accetta elettroni, gli elettroni possono essere rilasciati. Gli elettroni devono quindi solo fare un piccolo salto per diventare liberi, e la perdita di energia è ridotta al minimo. Le lacune e gli elettroni trasportano la fotocorrente e la cella solare inizia a produrre elettricità.

Questo è noto da molto tempo. Però, la straordinaria forma d'onda è apparsa poi nell'esperimento di Qingzhen Bian.

"L'unica spiegazione concepibile è che sorge una coerenza tra il sistema eccitato e le cariche separate. Abbiamo chiesto ai chimici quantistici di esaminare questo aspetto e i risultati che otteniamo in esperimenti ripetuti concordano bene con i loro calcoli, "dice Olle Inganäs.

Nella scala quantistica, gli atomi vibrano, e vibrano più velocemente quando vengono riscaldati. Sono queste vibrazioni che in qualche modo interagiscono tra loro e con il sistema eccitato degli elettroni:le fasi delle onde si susseguono e si crea uno stato di coerenza.

"La coerenza aiuta a creare le cariche che danno la fotocorrente, che avviene a temperatura ambiente. Ma non sappiamo ancora perché o come, "dice Olle Inganäs.

La stessa coerenza quantistica si trova nel mondo biologico.

"Un intenso dibattito è in corso tra i ricercatori di biofisica se i sistemi che utilizzano la fotosintesi hanno imparato a sfruttare la coerenza o meno. Trovo improbabile che milioni di anni di evoluzione non abbiano portato il mondo naturale a sfruttare il fenomeno, "dice Olle Inganäs.

"Se capissimo meglio come si formano i portatori di carica e come viene controllato il processo, dovremmo essere in grado di usarlo per aumentare l'efficienza delle celle solari organiche. Le vibrazioni dipendono dalla struttura della molecola, e se riusciamo a progettare molecole che contribuiscono ad aumentare la fotocorrente, possiamo anche sfruttare il fenomeno a nostro vantaggio, " lui dice.