I fisici della Rutgers University hanno scoperto nuove proprietà in un materiale che potrebbe portare a celle solari in plastica efficienti ed economiche per la produzione di elettricità senza inquinamento.
La scoperta, pubblicato online e previsto per la pubblicazione in un prossimo numero della rivista Materiali della natura , rivela che le particelle che trasportano energia generate da pacchetti di luce possono viaggiare nell'ordine di mille volte più lontano nei semiconduttori organici (a base di carbonio) rispetto a quanto osservato in precedenza dagli scienziati. Ciò aumenta le speranze degli scienziati che le celle solari basate su questa tecnologia in erba possano un giorno superare le celle solari al silicio in termini di costi e prestazioni, aumentando così la praticità dell'elettricità generata dal sole come fonte di energia alternativa ai combustibili fossili.
"I semiconduttori organici sono promettenti per le celle solari e altri usi, come display video, perché possono essere fabbricati in grandi fogli di plastica, " disse Vitaly Podzorov, assistente professore di fisica alla Rutgers. "Ma la loro limitata efficienza di conversione fotovoltaica li ha trattenuti. Ci aspettiamo che la nostra scoperta stimoli ulteriori sviluppi e progressi".
Podzorov e i suoi colleghi hanno osservato che gli eccitoni, particelle che si formano quando i materiali semiconduttori assorbono fotoni, o particelle leggere - possono viaggiare mille volte più lontano in un semiconduttore organico cristallino estremamente puro chiamato rubrene. Fino ad ora, Gli eccitoni sono stati tipicamente osservati viaggiare per meno di 20 nanometri – miliardesimi di metro – nei semiconduttori organici.
"Questa è la prima volta che osserviamo gli eccitoni che migrano di pochi micron, " disse Podzorov, notando che hanno misurato lunghezze di diffusione da due a otto micron, o milionesimi di metro. Questo è simile alla diffusione degli eccitoni nei materiali inorganici delle celle solari come il silicio e l'arseniuro di gallio.
"Una volta che la distanza di diffusione degli eccitoni diventa paragonabile alla lunghezza di assorbimento della luce, puoi raccogliere la maggior parte della luce solare per la conversione di energia, " Egli ha detto.
Gli eccitoni sono entità simili a particelle costituite da un elettrone e una lacuna elettronica (una carica positiva attribuita all'assenza di un elettrone). Possono generare una fototensione quando colpiscono un confine o una giunzione di semiconduttori, e gli elettroni si spostano da una parte e le lacune si spostano dall'altra parte della giunzione. Se gli eccitoni diffondono solo decine di nanometri, solo quelli più vicini alle giunzioni o ai confini generano fototensione. Ciò spiega le basse efficienze di conversione elettrica nelle odierne celle solari organiche.
"Ora perdiamo il 99 percento della luce solare, " ha osservato Podzorov.
Mentre i cristalli di rubrene estremamente puri fabbricati dai fisici Rutgers sono adatti solo per la ricerca di laboratorio in questo momento, la ricerca mostra che il collo di bottiglia della diffusione degli eccitoni non è una limitazione intrinseca dei semiconduttori organici. Lo sviluppo continuo potrebbe tradursi in materiali più efficienti e fabbricabili.
Gli scienziati hanno scoperto che gli eccitoni nei loro cristalli di rubrene si comportavano più come gli eccitoni osservati nei cristalli inorganici - una forma delocalizzata nota come Wannier-Mott, o WM, eccitoni. Gli scienziati in precedenza credevano che solo la forma più localizzata di eccitoni, chiamati eccitoni di Frenkel, erano presenti nei semiconduttori organici. Gli eccitoni WM si muovono più rapidamente attraverso i reticoli cristallini, con conseguente migliori proprietà optoelettroniche.
Podzorov ha osservato che la ricerca ha prodotto anche una nuova metodologia di misurazione degli eccitoni basata sulla spettroscopia ottica. Poiché gli eccitoni non vengono caricati, sono difficili da misurare con i metodi convenzionali. I ricercatori hanno sviluppato una tecnica chiamata spettroscopia fotocorrente risolta dalla polarizzazione, che dissocia gli eccitoni sulla superficie del cristallo e rivela una grande fotocorrente. La tecnica dovrebbe essere applicabile ad altri materiali, afferma Podzorov.
