Un gruppo di ricerca guidato dalla North Carolina State University ha sviluppato una nuova tecnica per determinare il ruolo che la struttura di un materiale ha sull'efficienza delle celle solari organiche, che sono candidati a basso costo, energia solare di nuova generazione. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica per determinare che i materiali con una struttura altamente organizzata su scala nanometrica non sono più efficienti nella creazione di elettroni liberi rispetto a strutture mal organizzate, una scoperta che aiuterà a guidare i futuri sforzi di ricerca e sviluppo.
"Ci sono stati molti studi sull'efficienza delle celle solari organiche, ma il processo di conversione dell'energia prevede più passaggi ed è difficile isolare l'efficienza di ogni passaggio, "dice il dottor Brendan O'Connor, un assistente professore di ingegneria meccanica presso la NC State e autore senior di un documento sul lavoro. "La tecnica di cui discutiamo nel nostro nuovo articolo ci consente di districare queste variabili e concentrarci su un passaggio specifico:l'efficienza della dissociazione degli eccitoni".
Ampiamente parlando, Le celle solari organiche convertono la luce in corrente elettrica in quattro fasi.
Primo, la cellula assorbe la luce solare, che eccita gli elettroni nello strato attivo della cellula. Ogni elettrone eccitato lascia un buco nello strato attivo. L'elettrone e la lacuna sono chiamati collettivamente eccitone. Nella seconda fase, chiamata diffusione, l'eccitone salta intorno fino a quando non incontra un'interfaccia con un altro materiale organico nello strato attivo. Quando l'eccitone incontra questa interfaccia, ottieni il terzo passaggio:la dissociazione. Durante la dissociazione, l'eccitone si rompe, liberando l'elettrone e la relativa lacuna. Nella fase quattro, chiamato riscossione, l'elettrone libero si fa strada attraverso lo strato attivo fino a un punto in cui può essere raccolto.
In precedenti ricerche sulle celle solari organiche, c'era ambiguità sul fatto che le differenze di efficienza fossero dovute alla dissociazione o alla riscossione degli addebiti, poiché non esisteva un metodo chiaro per distinguere tra i due. Un materiale era inefficiente nel dissociare gli eccitoni in elettroni liberi? O il materiale stava semplicemente rendendo difficile per gli elettroni liberi trovare la via d'uscita?
Per rispondere a queste domande, i ricercatori hanno sviluppato un metodo che sfrutta una particolare caratteristica della luce:se la luce è polarizzata in modo che "corra" parallela all'asse lungo delle molecole organiche delle celle solari, sarà assorbito; ma se la luce corre perpendicolare alle molecole, passa proprio attraverso di essa.
I ricercatori hanno creato nanostrutture altamente organizzate all'interno di una porzione dello strato attivo di una cella solare organica, il che significa che le molecole in quella porzione hanno funzionato tutte allo stesso modo. Hanno lasciato le restanti regioni della cellula disorganizzate, il che significa che le molecole hanno funzionato in un mucchio di direzioni diverse. Questo design ha permesso ai ricercatori di rendere effettivamente invisibili le aree organizzate della cellula controllando la polarità della luce diretta allo strato attivo. In altre parole, i ricercatori potevano testare solo la sezione organizzata o solo la sezione disorganizzata, anche se si trovavano sullo stesso strato attivo della stessa cella solare.
Poiché la raccolta di carica sarebbe la stessa per entrambe le regioni (poiché si trovavano sullo stesso livello attivo), la tecnica ha permesso ai ricercatori di misurare il grado in cui l'organizzazione strutturale ha influenzato l'efficienza di dissociazione del materiale.
"Abbiamo scoperto che non c'era alcuna relazione tra l'efficienza della dissociazione e l'organizzazione strutturale, " Dice O'Connor. "È stata davvero una sorpresa, e ci dice che non abbiamo bisogno di nanostrutture altamente ordinate per un'efficiente generazione di elettroni liberi.
"In termini pratici, questa tecnica aiuterà a distinguere le perdite di efficienza dei materiali di nuova concezione, aiutando a definire quali caratteristiche di materiale e nanostruttura sono necessarie per far progredire la tecnologia delle celle solari organiche".
