Le celle solari a base di polimeri organici sono di grande interesse perché i materiali sono sia più economici da realizzare che più facili da lavorare rispetto a quelli utilizzati nelle celle solari inorganiche tradizionali. Ad oggi, però, le migliori efficienze di conversione di potenza per le celle solari polimeriche rimangono al di sotto della soglia per l'applicazione pratica. Itaru Osaka dell'Emergent Molecular Function Research Group presso il RIKEN Center for Emergent Matter Science e collaboratori hanno scoperto per caso che la modifica della struttura del polimero si traduce in un significativo miglioramento dell'efficienza di conversione della potenza1.

Quando l'energia luminosa viene assorbita dal polimero in una cella solare polimerica, gli elettroni sono eccitati a livelli di energia più elevati per produrre un elettrone ad alta energia e un corrispondente "buco" di elettroni. Per convertire l'energia luminosa in corrente elettrica, questi elettroni e lacune devono spostarsi attraverso il polimero verso gli elettrodi prima di ricombinarsi e l'energia viene persa. Molte ricerche sono state dedicate alla comprensione di come migliorare questo processo di conversione.

Osaka e i suoi colleghi avevano lavorato con un particolare tipo di copolimero contenente una struttura ripetuta di naftoditiofene-naftobistiadiazolo chiamato PNNT-DT. "PNNT-DT ha una solubilità molto bassa, " spiega Osaka, "quindi eravamo interessati ad attaccare ulteriori catene laterali alchiliche al polimero per migliorarne la lavorabilità". Come previsto, questa modifica ha migliorato significativamente la solubilità del polimero, ma ha anche migliorato significativamente e inaspettatamente le efficienze di conversione di potenza delle celle solari realizzate con il polimero.

Nelle celle solari, il polimero si deposita come un film sottile, e l'analisi ha rivelato che questi nuovi polimeri "alchilati" erano disposti in modo tale che le catene polimeriche giacessero piatte in pile sulla superficie anziché allineate perpendicolarmente ad essa. Ciò fa sì che i portatori di carica, elettroni e fori, si muovano perpendicolarmente alla superficie anziché paralleli, migliorare l'efficienza di conversione di potenza (Fig. 1). "Questo inaspettato cambiamento di orientamento ha prodotto celle solari con un'efficienza fino all'8,2% rispetto al solo 5,5% per il materiale non alchilato, "dice Osaka.

In definitiva, Osaka e i suoi collaboratori sperano di sfruttare questo straordinario miglioramento dell'efficienza in altri polimeri per avvicinarsi alla produzione di celle solari polimeriche che possono veramente competere con l'efficienza del 15% o superiore delle celle solari inorganiche. "Abbiamo bisogno di una maggiore comprensione del motivo per cui si verifica questo cambiamento nell'orientamento del polimero, e poi dobbiamo applicarlo ad altri polimeri che possono assorbire una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce visibile, " lui dice.