L'obiettivo di realizzare celle solari organiche a basso costo potrebbe essere diventato un po' più accessibile con una nuova comprensione della scienza di base della separazione di carica presentata in un documento pubblicato online oggi, 3 febbraio in Comunicazioni sulla natura . Co-autore dell'ingegnere elettrico Penn State Noel Giebink con l'autore principale Bethany Bernardo, uno studente universitario nel suo gruppo, e colleghi dell'IMEC in Belgio, Laboratorio Nazionale Argonne, nordoccidentale, e Princeton, il documento suggerisce regole di progettazione per realizzare celle solari più efficienti in futuro.

Le celle solari organiche hanno attualmente un'efficienza massima di circa il 10 percento in laboratorio, molto meno del silicio monocristallino inorganico. Una delle sfide per realizzare celle organiche efficienti consiste nel separare le coppie fortemente legate costituite da un elettrone caricato negativamente e il suo foro caricato positivamente che risulta dall'assorbimento della luce, collettivamente denominato eccitone. L'elettrone e la lacuna devono essere separati per creare una corrente.

Il modo in cui questo viene fatto è creando un'eterogiunzione, che è due diversi semiconduttori organici uno accanto all'altro, uno dei quali ama cedere un elettrone e l'altro che accetta l'elettrone, suddividendo così l'eccitone originale in un elettrone e una lacuna che risiede sulle molecole vicine. Una domanda di vecchia data sul campo, però, è così che l'elettrone e la lacuna vicini – ancora fortemente attratti l'uno dall'altro in questa fase – riescono a separarsi completamente per generare corrente con l'efficienza osservata nella maggior parte delle celle solari.

Negli ultimi anni, una nuova prospettiva ha proposto che l'elevata efficienza di separazione si basi su un effetto quantistico:l'elettrone o la lacuna possono esistere in uno stato ondulatorio distribuito contemporaneamente su diverse molecole vicine. Quando la funzione d'onda di uno dei vettori crolla in una posizione sufficientemente lontana dal suo partner, le cariche possono separarsi più facilmente. Il lavoro di Giebink e colleghi fornisce nuove prove convincenti per supportare questa interpretazione e identificare la nanocristallinità del materiale accettore comune fatto di C ₆₀ molecole (note anche come fullereni o buckyballs) come la chiave che consente questo effetto di delocalizzazione.

Questo ordine cristallino locale sembra essere fondamentale per la generazione efficiente di fotocorrente nelle celle solari organiche, dice Giebink. "Una visione comune nella comunità è che ci vuole un po' di energia in eccesso per rompere l'eccitone, il che significava che doveva esserci una grande differenza di livello di energia tra i materiali del donatore e dell'accettore. Ma quel grande offset di energia riduce la tensione della cella solare. Our work dispels this perceived tradeoff in light of the impact that wavefunction delocalization and local crystallinity have on the charge separation process. This result should help people design new molecules and optimize donor and acceptor morphologies that help increase solar cell voltage without sacrificing current."

The team used various luminescence and electroabsorption spectroscopic techniques together with X-ray diffraction to reach their conclusion. Their results, detailed in the paper titled "Delocalization and dielectric screening of charge transfer states in organic photovoltaic cells, " will provide other groups with a better understanding of charge separation as they design and model more efficient organic solar cells.