Ricercatori dell'Università Christian-Albrechts di Kiel (CAU), Germania, ha integrato con successo per la prima volta lo stagno organico in polimeri semiconduttori (plastica). Possono essere utilizzati polimeri semiconduttori, Per esempio, per l'assorbimento della luce solare nelle celle solari. Incorporando stagno organico nella plastica, la luce può essere assorbita in un'ampia gamma dello spettro solare. Il nuovo polimero viene presentato dalla leader del progetto, la professoressa Anne Staubitz e dallo studente di dottorato Julian Linshöft nella rinomata rivista professionale " Angewandte Chemie, Edizione Internazionale."

Contrariamente ai conduttori elettrici come i metalli, i semiconduttori sono materiali che conducono elettricità solo in determinate circostanze, per esempio sotto irraggiamento con luce. A causa di questa proprietà, le plastiche semiconduttrici (chiamate anche polimeri semiconduttori) sono materiali molto promettenti per l'ultima generazione di celle solari:le celle solari organiche. Rispetto alle classiche varianti inorganiche, la loro fabbricazione può essere più economica e sono materiali molto leggeri, che può essere vantaggioso per molte applicazioni, ad esempio nel settore dei trasporti. "Però, le celle solari organiche non raggiungono ancora le stesse efficienze delle celle solari inorganiche a base di silicio, per cui vi è una sostanziale necessità di ricerca in questo settore", Anne Staubitz dell'Otto Diels-Institut contestualizza la sua area di ricerca.

Un criterio importante di tali semiconduttori è l'efficienza con cui assorbono la luce solare per convertirla in elettricità. Quando la luce solare viene convertita in elettricità, gli elettroni caricati negativamente nel semiconduttore vengono sollevati da un livello energetico a un livello energetico superiore. Questo processo lascia dietro di sé un "buco" carico positivamente nel livello energetico inferiore. Quindi le cariche percolano separatamente ai diversi poli elettrici:si può osservare una corrente. La luce del sole è in grado di avviare questo processo. Più questi livelli di energia sono vicini, più questo processo è semplice:più fotoni possono essere assorbiti e quindi più energia solare può essere utilizzata. polimeri, in cui questo gap ("band gap") tra i livelli energetici è piccolo, avere un rosso, in rari casi anche un colore viola.

Uno degli obiettivi della ricerca sui semiconduttori organici sintetici è quindi produrre polimeri organici con piccoli gap energetici (o band gap). Però, lo sviluppo di tale forte assorbimento di luce, la plastica profondamente colorata è molto difficile e quindi un'area molto attiva nella ricerca attuale. "Con il nuovo materiale dei nostri laboratori, è visibile a occhio nudo che siamo riusciti a sviluppare tali plastiche!" dice Staubitz. Il polimero è viola intenso in soluzione e quasi nero quando viene trasformato in una pellicola sottile.

Per ottenere gap energetici molto ridotti, gli scienziati di Kiel hanno usato un nuovo concetto. Hanno incorporato lo stagno organico sotto forma di molecole cicliche ("stannoli") nella struttura portante del polimero di carbonio. Lo stagno appartiene allo stesso gruppo chimico del carbonio ed è quindi simile in alcune delle sue proprietà. Tuttavia, le proprietà elettroniche tra stannoli e i corrispondenti congeneri del carbonio (ciclopentadieni) sono molto diverse. "Lo stagno non è solo un atomo di carbonio in sovrappeso", Anne Staubitz spiega. "Può abbassare drasticamente i livelli energetici nei suoi composti organici". Ma fino ad ora, nessuno era in grado di utilizzare queste proprietà speciali dello stagno nei materiali polimerici.

Unire insieme questi singoli elementi costitutivi molecolari (i monomeri) è stato un compito difficile per i ricercatori:i monomeri non contenevano solo lo stagno desiderato nelle stesse unità stannole; lo stagno organico era presente anche nei gruppi di accoppiamento reattivi che erano necessari per unire i monomeri insieme per formare il polimero. Solo questi gruppi avrebbero dovuto reagire, mentre gli anelli stannoli non devono essere attaccati. Questo era vitale, perché qualsiasi reazione collaterale indesiderata porterebbe ad un significativo accorciamento della catena polimerica, portando ad un sostanziale deterioramento della qualità del polimero. "Questo era un progetto ad alto rischio, perché le reazioni di accoppiamento che possono selezionare tra due diversi gruppi organici di stagno non erano note in chimica prima", dice Staubitz. Perciò, Il dottorando Julian Linshöft non ha dovuto solo sviluppare un metodo selettivo, ma una reazione di cross-coupling altamente selettiva. "La prima difficoltà è stata quella di trovare i modelli di reattività corretti per i monomeri", Linshöft ricorda. "Per questo, non c'era nessun vantaggio nella letteratura chimica finora."

L'esperimento è stato un successo. Il team è stato in grado di preparare la plastica desiderata utilizzando il palladio come catalizzatore di reazione. Il materiale può essere facilmente trasformato in film sottili, che sono neri luccicanti e la cui applicazione nelle celle solari può ora essere testata. Linshöft, il cui lavoro è stato finanziato da una borsa di studio della Fondazione tedesca per l'ambiente afferma:"Finalmente, siamo in grado di preparare queste nuove plastiche semiconduttrici. Il loro pieno potenziale può essere valutato nel prossimo futuro".