Infografica che mostra l'effetto del co-solvente sulla soluzione di due componenti plastici (polimero e molecole di fullerene) durante il processo di produzione della cella solare in plastica. Senza il co-solvente si formano goccioline di molecole di fullerene che limitano l'efficienza della cella solare. Con il co-solvente le molecole polimeriche si ripiegano molto più velocemente, in modo che non si possano formare goccioline. Credito:TU Eindhoven / Hans van Franeker
L'efficienza delle celle solari in plastica può essere raddoppiata o triplicata se viene aggiunto un ulteriore solvente durante il processo di produzione, paragonabile al ruolo del lievito nell'impasto. Esattamente come funziona non è stato chiaro negli ultimi dieci anni. Ma ora i ricercatori della Eindhoven University of Technology (TU/e) hanno trovato la risposta in una pubblicazione in Comunicazioni sulla natura . Questa nuova comprensione consentirà ora lo sviluppo mirato di celle solari in plastica.
Celle solari in plastica, chiamate anche celle solari organiche, utilizzare polimeri invece del solito silicio per convertire l'energia dalla luce solare in elettricità. L'uso della plastica come materiale di base riduce il costo e il peso di queste celle solari, e li rende flessibili. Ma la loro efficienza di circa il 10% rimane ancora inferiore a quella delle celle solari al silicio commerciali, che raggiungono efficienze comprese tra il 15 e il 20 per cento.
Possibilità di scoperta
Circa dieci anni fa, si è scoperto per caso che l'efficienza delle celle solari in plastica veniva aumentata di un fattore da due a tre volte aggiungendo un solvente extra ("co-solvente") durante il processo di produzione. "Questi co-solventi sono ora utilizzati in tutte le celle solari di plastica", dice TU/e professore René Janssen. "Ma nessuno sapeva esattamente perché hanno un effetto così favorevole sull'efficienza".
Morfologia
Si sapeva che c'era una connessione con la 'morfologia' della cella solare, in altre parole l'esatta struttura di due componenti plastici misti nella cella tra i quali gli elettroni si muovono sotto l'influenza della luce solare. Questi componenti, entrambi materiali organici, vengono disciolti durante il processo di produzione, dopo di che evaporano e si induriscono. Il misterioso co-solvente viene sempre aggiunto al solvente prima dell'evaporazione.
Dimensione delle gocce
Immagine TEM della soluzione con goccioline. Credito:TU Eindhoven
I ricercatori di Eindhoven guidati da René Janssen hanno utilizzato una combinazione di tecnologie ottiche per trovare una spiegazione definitiva. Dicono che se non aggiungessero un co-solvente, hanno scoperto che si sono formate grandi goccioline durante l'indurimento della miscela di plastica. Questi hanno un effetto negativo sul trasporto degli elettroni e, di conseguenza, sull'efficienza della cella solare. "Più co-solvente aggiungi alla soluzione, più piccole sono le bolle, fino a scomparire completamente quando si raggiunge un contenuto specifico", dice Janssen.
'Ripiegamento' ed evaporazione
Immagine TEM della soluzione senza goccioline. Credito:TU Eindhoven
Hanno anche trovato la ragione per questo. "Due sono gli effetti che si verificano durante il processo di indurimento", dice Janssen. "Da un lato la soluzione evapora, e inoltre che i polimeri assumono una struttura "piegata". Abbiamo visto che il co-solvente fa iniziare questo processo di "piegatura" molto prima, il che significa che alla fine le bolle non si formano più." In questo modo il co-solvente agisce come una sorta di 'lievito in polvere':migliora la struttura della miscela, ma l'agente in sé non basta.
Più efficace
I ricercatori sperano che i loro risultati rendano più efficace lo sviluppo di celle solari in plastica. "Finora si è trattato principalmente di tentativi ed errori", dice Janssen. "Ma ora possiamo prevedere in modo molto più accurato cosa potrebbe funzionare, e cosa non lo è."
