Le celle fotovoltaiche convertono direttamente la luce solare in elettricità e quindi sono dispositivi tecnologici fondamentali per affrontare una delle sfide che l'umanità deve affrontare in questo secolo:una produzione sostenibile e pulita di energia rinnovabile. Celle solari organiche, utilizzando materiali polimerici per catturare la luce solare, hanno proprietà particolarmente favorevoli. Sono a basso costo, leggero e flessibile, e il loro colore può essere adattato variando la composizione del materiale. Tali celle solari sono tipicamente costituite da miscele nanostrutturate di polimeri coniugati (lunghe catene di atomi di carbonio), agendo come assorbitori di luce, e fullereni (palloni da calcio in carbonio nanoscala), agiscono come accettori di elettroni. Il passo principale e più elementare nel processo di conversione da luce a corrente, il trasferimento indotto dalla luce di un elettrone dal polimero al fullerene, avviene a una velocità così sbalorditiva che in precedenza si è dimostrato difficile seguirlo direttamente.

Ora, un team di ricercatori tedeschi e italiani di Oldenburg, Modena e Milano hanno riportato i primi filmati in tempo reale del processo di conversione da luce a corrente in una cella solare organica. In un rapporto pubblicato nel numero del 30 maggio di Scienza rivista, i ricercatori mostrano che la meccanica quantistica, la natura ondulatoria degli elettroni e il loro accoppiamento ai nuclei è di fondamentale importanza per il trasferimento di carica in un dispositivo fotovoltaico organico.

"I nostri risultati iniziali sono stati in realtà molto sorprendenti", dice Christoph Lienau, un professore di fisica dell'Università di Oldenburg che ha guidato il gruppo di ricerca. "Quando abbiamo usato estremamente breve, impulsi di luce a femtosecondi per illuminare lo strato polimerico in una cella organica, abbiamo scoperto che gli impulsi luminosi inducono oscillazioni, moto vibrazionale delle molecole polimeriche. inaspettatamente, però, abbiamo visto che anche le molecole di fullerene hanno iniziato a vibrare in modo sincrono. Non potremmo capirlo senza presumere che i pacchetti di onde elettroniche eccitati dagli impulsi luminosi oscillerebbero coerentemente avanti e indietro tra il polimero e il fullerene." Tutti i colleghi con i quali gli scienziati hanno discusso questi risultati iniziali, ottenuto dalla dottoranda Sarah Falke di Oldenburg in stretta collaborazione con il team di Giulio Cerullo del Politecnico di Milano, massimi esperti in spettroscopia ultraveloce, erano scettici. "In tali miscele organiche, la morfologia dell'interfaccia tra polimero e fullerene è molto complessa e le due parti non sono legate covalentemente", dice Lienau, “quindi non ci si può aspettare che la coerenza vibronica persista anche a temperatura ambiente. Abbiamo quindi chiesto a Elisa Molinari e Carlo A. Rozzi, dell'Istituto Nanoscienze del CNR e dell'Università di Modena e Reggio Emilia, aiuto." Una serie di sofisticate simulazioni di dinamica quantistica, eseguita da Rozzi e colleghi, fornito filmati impressionanti dell'evoluzione della nuvola elettronica e dei nuclei atomici in questo sistema, responsabili delle oscillazioni riscontrate negli esperimenti. "I nostri calcoli indicano", dice Molinari, "che l'accoppiamento tra elettroni e nuclei è di cruciale importanza per l'efficienza del trasferimento di carica. Adattare questo accoppiamento variando la morfologia e la composizione del dispositivo, quindi, può essere importante per ottimizzare l'efficienza del dispositivo".

I nuovi risultati porteranno immediatamente a celle solari migliori? "Tali studi spettroscopici ultraveloci, ed in particolare il loro confronto con modelli teorici avanzati, forniscono una visione impressionante e più diretta dei fenomeni fondamentali che avviano il processo fotovoltaico organico. Risultano essere molto simili alle strategie sviluppate dalla Natura nella fotosintesi.", dice Lienau. "Studi recenti indicano che la coerenza quantistica apparentemente gioca un ruolo importante in quel caso. Il nostro nuovo risultato fornisce prove di fenomeni simili nei dispositivi fotovoltaici artificiali funzionali:un progresso concettuale che potrebbe essere utilizzato per guidare la progettazione di futuri sistemi di raccolta della luce artificiale in un tentativo di eguagliare l'efficienza ancora senza rivali di quelli naturali. "