Il più grande ostacolo all'utilizzo dell'energia solare è stato il prezzo eccessivamente alto delle celle solari fatte di semiconduttori inorganici. In contrasto, le celle solari basate su polimeri semiconduttori sono convenienti, leggero, magro, e flessibile, ma le loro prestazioni sono state carenti. Un team guidato da Chain-Shu Hsu presso la National Chaio Tung University e Yuh-Lin Wang presso l'Academia Sinica di Taiwan ha ora sviluppato un nuovo approccio che utilizza nanobarre di fullerene per aumentare significativamente l'efficacia delle celle solari a base di polimeri. Presentano il loro lavoro sulla rivista Angewandte Chemie .
Nello strato fotoattivo di una cella solare, l'energia luminosa libera gli elettroni. Questo lascia spazi vuoti o "buchi" caricati positivamente. Elettroni e lacune devono essere separati in modo rapido ed efficiente, oppure si ricombinano e riducono la potenza della cella solare. L'efficienza di una cella solare dipende quindi da quanto bene la carica risultante viene direzionata e trasportata agli elettrodi.
Nelle celle solari polimeriche, è possibile ottenere una separazione di carica più efficiente attraverso l'aggiunta di accettori, come i fullereni, che assorbono gli elettroni. Un concetto molto promettente è quello di incorporare le molecole accettore in una matrice disordinata composta da catene polimeriche fotoattive. La superficie di confine tra i due componenti è così distribuita su tutto lo strato. Questo costrutto è noto come "contatto bulk-hetero". Dopo la separazione della carica, gli elettroni e le lacune si trovano in diversi sistemi molecolari, che li trasportano selettivamente agli elettrodi opposti.
Il problema è che i due materiali non sono distribuiti uniformemente. I percorsi di viaggio per le spese sono così disordinati, permettendo a buchi ed elettroni di incontrarsi facilmente. Inoltre, possono verificarsi isole a carica separata. La soluzione sarebbe un "contatto eterogeneo di massa ordinato", una struttura periodica di direzione verticale, regioni compenetranti di entrambi i materiali. Gli elettroni e le lacune avrebbero quindi percorsi rettilinei che non si incrociano. Però, in precedenza non era possibile produrre alcun fotostrato efficace utilizzando questo principio, perché i componenti non sono molecolarmente mescolati, rendendo i percorsi degli elettroni troppo lunghi per produrre una separazione di carica efficace.
I ricercatori taiwanesi hanno deciso di combinare i due principi strutturali. Utilizzando un processo di nanofusione, hanno prodotto uno strato di nanobarre orientate verticalmente da un materiale fullerene polimerico reticolato. Gli spazi tra le aste sono stati riempiti con una miscela costituita da un polimero fotoattivo e un fullerene. Questo strato garantisce un'efficace separazione della carica, e la compenetrazione dei nanotubi di fullerene assicura un trasporto di carica ordinato e quindi efficace. Le celle solari realizzate con questo nuovo fotostrato combinato sono stabili e raggiungono prestazioni incredibilmente elevate.
