È stato spesso detto che le celle solari sono come versioni artificiali degli apparati fotosintetici che si trovano nelle piante, come foglie, poiché entrambi raccolgono la luce del sole. Ma le foglie della natura possono fare qualcosa che la maggior parte delle celle solari non può fare:proteggersi dai danni fotochimici dovuti alla sovraesposizione alla luce solare.

Nel tentativo di proteggere i dispositivi di raccolta della luce artificiale dai danni del sole, i chimici hanno progettato un array su scala molecolare a forma di imbuto che raccoglie fotoni, diffonde l'energia intorno all'array, e scarica l'energia a una velocità relativamente lenta su una cella solare o altro dispositivo. Regolando la quantità di energia che entra nella cella solare, il nuovo array potrebbe prolungare la durata della cella solare, che deve funzionare in condizioni difficili associate a una prolungata esposizione alla luce solare.

I ricercatori, Raymond Ziessel, Gilles Ulrich, e Alexandre Haefele all'Università di Strasburgo in Francia, insieme ad Anthony Harriman alla Newcastle University nel Regno Unito, hanno pubblicato il loro articolo sul loro sistema di raccolta della luce artificiale in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .

"La luce UV è dannosa per le cellule e per la struttura portante, "Harriman ha detto Phys.org . "I fotoni si perdono per annientamento, e le prestazioni ottimali richiedono un flusso costante di fotoni. Questo è ancora più importante per i dispositivi di scissione dell'acqua, ed è qui che vediamo la nostra mietitrice leggera avere applicazioni reali."

Il nuovo array è composto da 21 coloranti Bodipy ("boro-dipirrometene"), che sono coloranti altamente fluorescenti noti per il loro buon assorbimento ed emissione di luce. I coloranti Bodipy sono disposti in un design a imbuto che converge su un punto focale. Quando esposto alla luce, l'array guida l'energia di eccitazione dai fotoni incidenti attraverso l'imbuto attraverso una serie di passaggi di trasferimento di energia a cascata fino a quando l'energia raggiunge il punto focale.

La caratteristica più importante del design è la sua capacità di autoregolare la sua energia. Quando il punto focale è in uno stato eccitato, l'ulteriore trasferimento di energia al punto focale è limitato. Per aumentare la quantità di energia che raggiunge il punto focale, la topologia dell'array fornisce diversi percorsi di viaggio per l'energia per garantire tempi di arrivo diversi. La strategia prevede la ridistribuzione dell'energia in eccesso all'interno dell'array fino a quando il punto focale non è più "saturato".

Questo meccanismo di protezione dalla sovraesposizione alla luce solare non è strettamente basato sui meccanismi utilizzati dalle piante. In natura, diversi meccanismi si sono evoluti a questo scopo, sebbene i dettagli di questi meccanismi siano ancora oggetto di dibattito attivo.

Mentre le proprietà del nuovo array sono intriganti, gli scienziati aggiungono che anche la sintesi attuale è all'avanguardia. L'uso dei coloranti Bodipy come elementi costitutivi consente di avere certezza sulla struttura emergente, a differenza di quando si usano altre molecole, come i dendrimeri, dove è difficile assicurare una crescita completa con ogni strato.

Nel futuro, l'imbuto su scala molecolare potrebbe proteggere le celle solari fungendo da sensibilizzante; questo è, trasferire energia in modo controllato alle celle solari o ad altri dispositivi esterni. L'array fornisce anche un vantaggio in termini di stabilità rispetto all'utilizzo di una miscela di composti. E sebbene l'array limiti il ​​trasferimento di energia, non diminuisce l'efficienza della cella solare.

"Attualmente, l'efficienza limitante è accoppiare tra loro i due sistemi, "Hariman ha detto. "In linea di principio, non dovrebbe esserci alcuna diminuzione dell'efficienza. Il vero vantaggio verrà dall'utilizzo di un collettore di grande area e di una cella solare di piccola area".

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di migliorare il trasferimento di fotoni dalla matrice alla cella solare.

"Stiamo cercando di costruire sistemi in cui i fotoni si muovano facilmente da un ammasso all'altro prima di essere intrappolati dalla cella solare, "Harriman ha detto. "Inoltre, stiamo cercando modi per spingere i fotoni verso la cella solare, piuttosto che affidarsi a migrazioni casuali. Questo tipo di coerenza quantistica potrebbe essere importante in alcuni casi in natura, ma va ben oltre le attuali capacità dei sistemi artificiali. Abbiamo idee su come migliorare e prevediamo rapidi progressi in questo campo".

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