Le celle solari organiche hanno il potenziale per convertire la luce solare in energia elettrica in modo economico ed ecologico. La sfida è che funzionano ancora in modo meno efficiente dei semiconduttori inorganici. Le misurazioni ultraveloci su celle ibride ora rivelano un percorso per raddoppiare la loro efficienza.
L'uso del fotovoltaico organico per la produzione di elettricità dalla luce solare offre una base interessante e promettente per un mezzo di approvvigionamento energetico innovativo ed ecologico. Possono essere prodotti in modo abbastanza economico e, perché sono pieghevoli come un involucro di plastica, possono essere elaborati in modo flessibile. Il problema è che sono ancora notevolmente meno efficienti delle convenzionali celle a semiconduttore inorganico. Il processo più cruciale nella conversione della luce in corrente elettrica è la generazione di portatori di carica gratuiti. Nella prima fase della fotoconversione, per assorbimento di luce un componente della cella solare organica, di solito un polimero, rilascia elettroni che vengono captati dal secondo componente della cellula - in questo caso nanoparticelle di silicio - e possono poi essere ulteriormente trasportati.
"I meccanismi e la tempistica della separazione di carica sono da molti anni oggetto di controverso dibattito scientifico, " afferma il professore di fisica della LMU Eberhard Riedle. In collaborazione con ricercatori dell'Università tecnica di Monaco e dell'Università di Bayreuth, Riedle e il suo gruppo sono stati ora in grado di analizzare il processo in dettaglio. Fare così, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo tipo di cellula ibrida contenente costituenti sia organici che inorganici, in cui il silicio funge da accettore di elettroni. Sulla base delle informazioni ottenute con questo sistema, hanno sviluppato una strategia di elaborazione per migliorare l'ordine strutturale del polimero e hanno scoperto che ciò aumenta fino a due volte l'efficienza della separazione di carica nei semiconduttori organici. Le loro scoperte forniscono un nuovo modo per ottimizzare le prestazioni delle celle solari organiche.
La chiave di questa svolta risiede in un unico, configurazione sperimentale basata su laser, che combina una risoluzione temporale estremamente elevata di 40 femtosecondi (fs) con un rilevamento a banda molto larga. Ciò ha permesso al team di seguire i processi ultraveloci indotti dall'assorbimento dei fotoni in tempo reale mentre si verificano. Invece dei fullereni utilizzati nelle tipiche cellule organiche, i ricercatori hanno usato il silicio come accettore di elettroni, una scelta che ha due grandi vantaggi.
"Primo, con queste nuove celle solari ibride, siamo stati in grado di sondare i processi fotofisici che avvengono nel polimero con una precisione mai vista prima, e in secondo luogo attraverso l'uso del silicio, un segmento molto più ampio dello spettro solare può essere sfruttato per l'elettricità, "dice Riedle.
Si scopre che i portatori di carica gratuita - i cosiddetti polaroni - non vengono generati immediatamente dopo la fotoeccitazione, ma con un ritardo di circa 140 fs. La fotoeccitazione primaria di una molecola polimerica porta prima alla formazione di uno stato eccitato, chiamato eccitone. Questo poi si dissocia, rilasciando un elettrone, che viene poi trasferito all'accettore di elettroni. La perdita di elettroni lascia "buchi" caricati positivamente nel polimero e, poiché le entità di carica opposta sono attratte l'una dall'altra dalla forza di Coulomb, i due hanno la tendenza a ricombinarsi.
"Al fine di ottenere vettori gratuiti, elettrone e lacuna devono essere entrambi sufficientemente mobili per vincere la forza di Coulomb, " spiega Daniel Herrmann, il primo autore del nuovo studio. La squadra ha potuto dimostrare, per la prima volta, che questo è molto più facile da ottenere nei polimeri con un ordinato, struttura regolare rispetto ai polimeri disposti caoticamente. In altre parole, un alto grado di auto-organizzazione del polimero aumenta significativamente l'efficienza della separazione di carica.
"Il polimero che abbiamo usato è uno dei pochi noti per avere una tendenza all'auto-organizzazione. Questa tendenza può essere inibita, ma si può anche aumentare la propensione intrinseca del polimero all'auto-organizzazione scegliendo opportuni parametri di lavorazione, " spiega Herrmann. Ottimizzando abilmente la lavorazione del polimero P3HT, i ricercatori sono riusciti a raddoppiare la resa dei portatori di carica gratuita e quindi a migliorare significativamente l'efficienza delle loro celle solari sperimentali.
