Con l'aiuto della sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY, ricercatori della Technische Universität München hanno, per la prima volta, visto degradare le celle solari organiche in tempo reale. Questo lavoro potrebbe aprire nuovi approcci per aumentare la stabilità di questo tipo di cella solare altamente promettente. Il team guidato dal Prof. Peter Müller-Buschbaum della Technische Universität München (Università tecnica di Monaco) presenta le proprie osservazioni nel numero di questa settimana della rivista scientifica Materiale avanzato .

Celle solari organiche, soprattutto quelli a base di polimeri sono poco costosi da produrre su larga scala. Grazie alla loro flessibilità fisica, possono aprire nuove applicazioni del fotovoltaico oggi non possibili. Inoltre, possono convertire la luce in elettricità con un'efficienza superiore al dieci per cento e potrebbero contribuire in modo significativo a una fornitura di energia su larga scala basata su fonti rinnovabili. Però, l'efficienza delle celle solari organiche diminuisce ancora rapidamente e hanno una vita utile più breve rispetto alle celle al silicio convenzionali.

Alla stazione di misura P03 della sorgente luminosa PETRA III di DESY, gli scienziati hanno effettuato le prime osservazioni dal vivo della degradazione delle celle solari organiche in funzione. Per fare questo, hanno acceso una cella solare polimerica campione usando un simulatore solare, che emette luce che corrisponde allo spettro e all'intensità della luce solare, e ha registrato le caratteristiche elettriche della cella nel tempo. Ad intervalli che vanno da alcuni minuti fino a un'ora, i ricercatori hanno anche esaminato l'interno della cella solare utilizzando il raggio di raggi X nitidamente focalizzato di PETRA III. In questo modo hanno potuto osservare come la struttura interna dello strato attivo della cella solare è cambiata nel corso di sette ore, mentre l'efficienza della cella è diminuita di circa il 25 per cento.

L'elettricità viene generata nello strato attivo in quelli che sono noti come domini attivi in ​​queste celle solari. Qui, la luce viene assorbita e i portatori di carica vengono rilasciati. Il diametro di questi domini attivi è aumentato del 17% durante lo studio, da circa 70 a più di 80 nanometri. Allo stesso tempo, la distanza media tra loro è aumentata del 19% da 310 nanometri a circa 370 nanometri, come hanno mostrato le misurazioni dei raggi X.

"Ciò suggerisce che durante il funzionamento i piccoli siti scompaiono definitivamente a favore di quelli più grandi, " spiega il primo autore Christoph Schaffer, che è uno studente di dottorato nel gruppo di Müller-Buschbaum. "Anche se i domini crescono, si allontanano anche l'uno dall'altro, ciò significa che la loro area attiva totale si riduce. Questo può spiegare esattamente il calo di efficienza osservato".

"L'esame ha spiegato per la prima volta il meccanismo di degrado. È un primo passo, " dice il co-autore Dr. Stephan Roth, lo scienziato DESY responsabile della stazione di misura P03. "Il prossimo passo prevede il tentativo di ridurre o controllare questa crescita in modo mirato, Per esempio, mediante l'aggiunta di sostanze appropriate. Le celle solari polimeriche potrebbero essere prodotte con una struttura interna in cui i siti attivi crescono fino alla loro dimensione ottimale durante le prime ore di funzionamento, " aggiunge Müller-Buschbaum. "La conseguenza di tali misure potrebbe essere che le celle prodotte industrialmente superino finalmente la soglia di efficienza economicamente cruciale anche per il funzionamento a lungo termine, " sottolinea Roth.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY è il principale centro di accelerazione tedesco e uno dei principali al mondo. DESY è membro dell'Associazione Helmholtz e riceve i suoi finanziamenti dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF) (90 percento) e dagli stati federali tedeschi di Amburgo e Brandeburgo (10 percento). Nelle sue sedi di Amburgo e Zeuthen vicino a Berlino, DESY sviluppa, costruisce e gestisce grandi acceleratori di particelle, e li usa per indagare la struttura della materia. La combinazione di scienza dei fotoni e fisica delle particelle di DESY è unica in Europa.