Perché le celle solari efficienti e convenienti sono così ambite? Volume. La quantità di energia solare che illumina la massa terrestre della Terra ogni anno è quasi 3, 000 volte la quantità totale di consumo energetico umano annuo. Ma per competere con l'energia dei combustibili fossili, i dispositivi fotovoltaici devono convertire la luce solare in energia elettrica con una certa efficienza. Per celle fotovoltaiche organiche a base di polimeri, che sono molto meno costosi da produrre rispetto alle celle solari a base di silicio, gli scienziati hanno creduto a lungo che la chiave per un'elevata efficienza risieda nella purezza dei due domini della cellula organica/polimero:accettore e donatore. Ora, però, è stato mostrato un percorso alternativo e forse più facile.

Lavorando all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una fonte primaria di raggi X e raggi di luce ultravioletta per la ricerca, un team internazionale di scienziati ha scoperto che per celle fotovoltaiche polimeriche/organiche altamente efficienti, le misure contano.

"Abbiamo dimostrato che i domini impuri, se resi sufficientemente piccoli, possono anche portare a prestazioni migliori nelle celle fotovoltaiche organiche a base di polimeri, "dice Harald Ade, un fisico alla North Carolina State University, che ha condotto questa ricerca. "Sembra che ci sia una via di mezzo felice, una sorta di punto debole, tra purezza e dimensione del dominio che dovrebbe essere molto più facile da raggiungere rispetto alla purezza ultra elevata."

Ade, un utente di lunga data della SLA, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro in Materiali energetici avanzati intitolato "La misurazione assoluta della composizione del dominio e della distribuzione delle dimensioni su scala nanometrica spiega le prestazioni nelle celle solari PTB7:PC71 BM". I coautori sono Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann e Christopher McNeill.

L'efficienza di conversione delle celle solari nelle celle fotovoltaiche polimeriche/organiche dipende dagli eccitoni – coppie elettrone/lacuna energizzate dalla luce solare – che raggiungono rapidamente le interfacce dei domini donatore e accettore in modo da ridurre al minimo l'energia persa sotto forma di calore. La saggezza popolare riteneva che maggiore è la purezza dei domini, minori sono le impedenze e più veloce è il viaggio degli eccitoni.

Ade e i suoi coautori sono stati i primi a misurare contemporaneamente la dimensione del dominio, composizione e cristallinità di una cella solare organica. Questa impresa è stata resa possibile dalle linee di luce ALS 11.0.1.2, un impianto di diffusione di raggi X molli risonanti (R-SoXS); 7.3.3, una stazione terminale di diffusione dei raggi X a piccolo e ampio angolo (SAXS/WAXS/); e 5.3.2, una stazione terminale per la microscopia a raggi X a trasmissione a scansione (STXM).

dice Collins, il primo autore sul Materiali energetici avanzati carta, "La combinazione di queste tre linee di luce ALS ci ha permesso di ottenere immagini complete della morfologia del film fotovoltaico organico a base di polimeri dalla nanoscala alla mesoscala. Fino ad ora, questa informazione è stata irraggiungibile."

Il team internazionale ha utilizzato la tripletta di fasci di ALS per studiare la miscela polimero/fullenza PTB7:PC71BM in film sottili realizzati da una soluzione di clorobenzene con e senza l'aggiunta (tre percento in volume) del solvente diiodoottano. I film erano composti da dispersioni simili a goccioline in cui la dimensione del dominio accettore dominante senza l'additivo era di circa 177 nanometri. L'aggiunta del solvente ha ridotto la dimensione del dominio accettore fino a circa 34 nanometri preservando la composizione e la cristallinità del film. Ciò ha comportato un guadagno di efficienza del 42 percento.

"Nel mostrare per la prima volta quanto siano puri e grandi i domini accettori nei dispositivi solari organici, così come l'aspetto dell'interfaccia con il dominio del donatore, abbiamo dimostrato che l'impatto di solventi e additivi sulle prestazioni del dispositivo può essere drammatico e può essere studiato sistematicamente, " dice Ade. "In futuro, la nostra tecnica dovrebbe aiutare a far progredire la progettazione razionale di film fotovoltaici organici a base di polimeri".