Utilizzando un analogo biomimetico di una delle strutture di raccolta della luce più efficienti della natura, fili d'erba, un team di ricerca internazionale guidato da Alejandro Briseno dell'Università del Massachusetts Amherst ha compiuto un passo importante nello sviluppo di un'architettura polimerica a lungo cercata per aumentare l'efficienza di conversione della luce in elettricità per l'uso nei dispositivi elettronici.

Briseno, con colleghi e studenti laureati presso UMass Amherst e altri presso la Stanford University e la Dresden University of Technology, Germania, relazione nell'attuale numero di Nano lettere che utilizzando nanopillari organici monocristallini, o "nanograss, "hanno trovato un modo per aggirare i vicoli ciechi, o percorsi discontinui, che rappresentano un grave inconveniente quando si utilizzano sistemi misti noti come donatore-accettore di eterogiunzione di massa, o positivo-negativo (p-n), giunzioni per la raccolta di energia nelle celle solari organiche.

Il gruppo di ricerca di Briseno è uno dei pochissimi al mondo a progettare e coltivare giunzioni p-n organiche monocristalline. Lui dice, "Questo lavoro è un importante progresso nel campo delle celle solari organiche perché abbiamo sviluppato quella che il campo considera l'architettura del 'Santo Graal' per raccogliere la luce e convertirla in elettricità". La svolta nel controllo della morfologia dovrebbe avere un uso diffuso nelle celle solari, batterie e transistor verticali, Aggiunge.

Briseno spiega, "Per decenni scienziati e ingegneri hanno compiuto grandi sforzi nel tentativo di controllare la morfologia delle interfacce di giunzione p-n nelle celle solari organiche. Riportiamo qui che abbiamo finalmente sviluppato l'architettura ideale composta da nanopilastri verticali a cristallo singolo organico". I nanopillar sono su scala nanometrica, superfici ingegnerizzate con miliardi di pali organici che assomigliano a fili d'erba, e come i fili d'erba sono particolarmente efficaci nel convertire la luce in energia.

L'anticipo non affronta solo il problema dei vicoli ciechi o dei percorsi discontinui che rendono inefficiente il trasferimento di energia, ma risolve anche alcuni problemi di instabilità, dove i materiali in miscele miste di polimeri tendono a perdere il loro comportamento a fase separata nel tempo, trasferimento di energia degradante, dice il chimico dei polimeri. Anche, i materiali nei sistemi misti tendono ad essere al massimo da amorfi a semicristallini e "questo è uno svantaggio poiché il trasporto di carica è più efficiente nei sistemi altamente cristallini".

Nello specifico, per controllare l'orientamento molecolare e l'impaccamento sulle superfici degli elettrodi, il team ha combinato le conoscenze sul grafene e sui cristalli organici. Sebbene fosse difficile, Briseno dice, sono riusciti a ottenere i composti necessari da impilare come monete. I composti impilati sono ideali per il trasporto di carica poiché questa configurazione ha la più grande anisotropia di trasporto di carica. L'anisotropia del trasporto di carica è un fenomeno in cui gli elettroni fluiscono più velocemente lungo una particolare direzione cristallografica a causa di strette interazioni molecola-molecola. In questo caso, l'anisotropia è lungo il nanopilastro, perpendicolare al substrato.

Briseno dice, "La sfida più grande nella produzione di questa architettura è stata trovare il substrato appropriato che consentisse alle molecole di impilarsi verticalmente. Avevamo sfruttato essenzialmente ogni substrato possibile fino a quando non siamo finalmente riusciti con il grafene, " Aggiunge, che è successo per caso quando uno studente universitario ha scelto il substrato sbagliato su cui far crescere i cristalli.

"Per oltre una settimana lo studente ha coltivato cristalli verticali e non ce ne siamo nemmeno resi conto fino a quando non abbiamo ripreso la superficie del substrato con un microscopio elettronico a scansione. Siamo rimasti scioccati nel vedere piccoli cristalli in piedi! Alla fine abbiamo ottimizzato le condizioni e determinato il meccanismo di cristallizzazione, " aggiunge il chimico dei polimeri.

I nanopillar verticali sono geometrie ideali per aggirare queste sfide, Briseno dice, "perché la separazione/raccolta della carica è più efficiente perpendicolare al dispositivo di plastica. In questo caso, i nostri nanopillar assomigliano molto alla nanograss. I nostri sistemi condividono attributi simili dell'erba come il sistema di array ad alta densità, orientamenti verticali e la capacità di convertire efficacemente la luce in energia."

La tecnica è semplice, poco costoso e applicabile a una libreria di composti donatori e accettori disponibili in commercio, lui nota. "Prevediamo che le nostre celle solari nanopillar si rivolgono ad applicazioni energetiche di fascia bassa come gadget, giocattoli, sensori e dispositivi usa e getta di breve durata."