I ricercatori della North Carolina State University e dell'Accademia cinese delle scienze hanno trovato un modo semplice per modificare la struttura molecolare di un polimero comunemente usato nelle celle solari. La loro modifica può aumentare l'efficienza delle celle solari di oltre il 30%.

Le celle solari a base di polimeri hanno due domini, costituito da un accettore di elettroni e un materiale donatore di elettroni. Gli eccitoni sono le particelle di energia create dalle celle solari quando la luce viene assorbita. Per essere sfruttato efficacemente come fonte di energia, gli eccitoni devono essere in grado di viaggiare rapidamente verso l'interfaccia dei domini donatore e accettore e trattenere quanta più energia possibile dalla luce.

Un modo per aumentare l'efficienza della cella solare è regolare la differenza tra l'orbita molecolare più alta occupata (HOMO) dell'accettore e i livelli più bassi dell'orbita molecolare non occupata (LUMO) del polimero in modo che l'eccitone possa essere raccolto con una perdita minima. Uno dei modi più comuni per ottenere ciò è aggiungere un atomo di fluoro allo scheletro molecolare del polimero, un difficile, processo a più fasi che può aumentare le prestazioni della cella solare, ma ha notevoli costi di fabbricazione del materiale.

Un team di chimici guidati da Jianhui Hou dell'Accademia cinese delle scienze ha creato un polimero noto come PBT-OP da due monomeri disponibili in commercio e un monomero facilmente sintetizzabile. Wei Ma, un ricercatore di fisica post-dottorato di NC State e autore corrispondente su un documento che descrive la ricerca, ha condotto l'analisi ai raggi X della struttura del polimero e della morfologia donatore:accettore.

Il PBT-OP non era solo più facile da realizzare rispetto ad altri polimeri comunemente usati, ma una semplice manipolazione della sua struttura chimica gli ha dato un livello HOMO inferiore a quello che era stato visto in altri polimeri con la stessa struttura molecolare. PBT-OP ha mostrato un valore di tensione a circuito aperto (la tensione disponibile da una cella solare) di 0,78 volt, un aumento del 36% rispetto alla media di ~ 0,6 volt da polimeri simili.

Secondo il fisico e coautore dello stato NC Harald Ade, l'approccio del team ha diversi vantaggi. "Il possibile svantaggio nel modificare la struttura molecolare di questi materiali è che si può migliorare un aspetto della cella solare ma creare inavvertitamente conseguenze indesiderate in dispositivi che vanificano l'intento iniziale, " dice. "In questo caso, abbiamo trovato un modo chimicamente semplice per modificare la struttura elettronica e migliorare l'efficienza del dispositivo catturando una frazione maggiore dell'energia della luce, senza modificare la capacità di assorbimento del materiale, creare e trasportare energia”.

I risultati dei ricercatori appaiono in Materiale avanzato . La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Ministero della Scienza e della Tecnologia cinese. Il dottor Maojie Zhang ha sintetizzato i polimeri; Xia Guo, Al lavoro hanno contribuito anche Shaoqing Zhang e Lijun Huo dell'Accademia cinese delle scienze.