Le nanoparticelle magnetiche possono aumentare le prestazioni delle celle solari realizzate con polimeri, a condizione che il mix sia corretto. Questo è il risultato di uno studio a raggi X presso la sorgente di radiazione di sincrotrone di DESY PETRA III. L'aggiunta di circa l'uno per cento di tali nanoparticelle in peso rende le celle solari più efficienti, secondo i risultati di un team di scienziati guidati dal prof. Peter Müller-Buschbaum dell'Università tecnica di Monaco. Presentano il loro studio in uno dei prossimi numeri della rivista Materiali energetici avanzati (pubblicato in anticipo in linea).

Polimero, o organico, le celle solari offrono un enorme potenziale:sono poco costose, flessibile ed estremamente versatile. Il loro svantaggio rispetto alle celle solari al silicio consolidate è la loro minore efficienza. Tipicamente, convertono solo una piccola percentuale della luce incidente in energia elettrica. Tuttavia, le celle solari organiche sono già economicamente sostenibili in molte situazioni, e gli scienziati stanno cercando nuovi modi per aumentare la loro efficienza.

Un metodo promettente è l'aggiunta di nanoparticelle. È stato mostrato, Per esempio, che le nanoparticelle d'oro assorbono ulteriore luce solare, che a sua volta produce portatori di carica elettrica aggiuntivi quando l'energia viene nuovamente rilasciata dalle particelle d'oro.

Il team di Müller-Buschbaum ha perseguito un approccio diverso, però. "La luce crea coppie di portatori di carica nella cella solare, costituito da un elettrone con carica negativa e una lacuna con carica positiva, che è un sito in cui manca un elettrone, " spiega l'autore principale del presente studio, Daniel Moseguí González del gruppo di Müller-Buschbaum. "L'arte di creare una cella solare organica consiste nel separare questa coppia elettrone-lacuna prima che possano ricombinarsi. Se lo facessero, la carica prodotta andrebbe persa. Stavamo cercando modi per prolungare la vita della coppia elettrone-lacuna, il che ci consentirebbe di separarne di più e di dirigerli verso elettrodi opposti".

Questa strategia fa uso di un principio fisico quantistico che afferma che gli elettroni hanno una sorta di rotazione interna, noto come rotazione. Secondo le leggi della fisica quantistica, questo giro ha un valore di 1/2. Anche il foro caricato positivamente ha uno spin di 1/2. I due giri possono sommarsi, se sono nella stessa direzione, o annullarsi a vicenda se sono in direzioni opposte. La coppia elettrone-lacuna può quindi avere uno spin complessivo pari a 0 o 1. Le coppie con spin 1 esistono più a lungo di quelle con spin complessivo pari a 0.

I ricercatori hanno cercato di trovare un materiale in grado di convertire lo stato di spin 0 in uno stato di spin 1. Ciò richiedeva nanoparticelle di elementi pesanti, che ribaltano lo spin dell'elettrone o della lacuna in modo che gli spin delle due particelle siano allineati nella stessa direzione. L'ossido di ferro magnetite (Fe3O4) è infatti in grado di fare proprio questo. "Nel nostro esperimento, l'aggiunta di nanoparticelle di magnetite al substrato ha aumentato l'efficienza delle celle solari fino all'11%, " riporta Moseguí González. La durata della coppia elettrone-lacuna è significativamente prolungata.

L'aggiunta di nanoparticelle è una procedura di routine che può essere facilmente eseguita nel corso dei vari metodi per la produzione di celle solari organiche. È importante, però, non aggiungere troppe nanoparticelle alla cella solare, perché la struttura interna delle celle solari organiche è finemente regolata per ottimizzare la distanza tra la raccolta della luce, materiali attivi, in modo che le coppie di portatori di carica possano essere separate nel modo più efficiente possibile. Queste strutture si trovano nell'intervallo da 10 a 100 nanometri.

"L'indagine a raggi X mostra che se mescoli un gran numero di nanoparticelle nel materiale utilizzato per realizzare la cella solare, ne cambi la struttura", spiega il co-autore Dr. Stephan Roth, capo della linea di travi P03 di DESY a PETRA III, dove sono stati condotti gli esperimenti. "La cella solare che abbiamo esaminato tollererà livelli di drogaggio di nanoparticelle di magnetite fino all'1% in massa senza modificarne la struttura".

Gli scienziati hanno osservato l'effetto maggiore quando hanno drogato il substrato con lo 0,6 per cento di nanoparticelle in peso. Ciò ha causato un aumento dell'efficienza della cella solare polimerica esaminata dal 3,05 al 3,37 per cento. "Un aumento dell'11% della resa energetica può essere cruciale per rendere un materiale economicamente sostenibile per una particolare applicazione, " sottolinea Müller-Buschbaum.

I ricercatori ritengono che sarà anche possibile aumentare l'efficienza di altre celle solari polimeriche drogandole con nanoparticelle. "La combinazione di polimeri ad alte prestazioni con nanoparticelle mantiene la promessa di ulteriori aumenti dell'efficienza delle celle solari organiche in futuro. Tuttavia, senza un esame approfondito, come quello che utilizza i raggi X emessi da un sincrotrone, sarebbe impossibile acquisire una comprensione fondamentale dei processi sottostanti coinvolti, " conclude Müller-Buschbaum.