Per tutte le promesse che hanno mostrato in laboratorio, le celle solari polimeriche hanno ancora bisogno di "andare avanti" come quelle impiegate nella stampa di giornali in modo che grandi fogli di dispositivi fotovoltaici accettabilmente efficienti possano essere prodotti in modo continuo ed economico. Le celle solari polimeriche offrono vantaggi rispetto alle loro controparti tradizionali a base di silicio in numerosi modi, compreso il minor costo, un'impronta di carbonio potenzialmente inferiore e una maggiore varietà di usi.

Nuovi risultati di ricerca riportati da un team internazionale guidato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) indicano che il "punto debole" per la produzione di massa di celle solari polimeriche - una prospettiva allettante per decenni - potrebbe essere molto più grande di quanto dettato dal convenzionale saggezza. Negli esperimenti che utilizzano un modello di un volume elevato, metodo di lavorazione roll-to-roll, i ricercatori hanno prodotto celle solari a base di polimeri con una "efficienza di conversione di potenza" superiore al 9,5 percento, poco meno dell'obiettivo commerciale minimo del 10%.

È buono quasi quanto i dispositivi per piccoli lotti realizzati in laboratorio con rivestimento a rotazione, un metodo che produce pellicole di alta qualità in laboratorio ma è commercialmente poco pratico poiché spreca fino al 90 percento dell'inchiostro iniziale.

Un po' sorprendente per i ricercatori, le loro versioni prodotte in serie mostravano un imballaggio molecolare e una consistenza che assomigliava solo leggermente a quella delle varietà prodotte in laboratorio, che al loro meglio convertono circa l'11% della luce solare incidente in energia elettrica.

"La "regola empirica" ​​è stata che le celle solari polimeriche ad alto volume dovrebbero assomigliare a quelle prodotte in laboratorio in termini di struttura, organizzazione e forma su scala nanometrica, "ha detto Lee Richter, un fisico del NIST che lavora su polimeri funzionali. "I nostri esperimenti indicano che i requisiti sono molto più flessibili di quanto ipotizzato, consentendo una maggiore variabilità strutturale senza sacrificare in modo significativo l'efficienza di conversione."

"La fabbricazione efficiente roll-to-roll è la chiave per ottenere il basso costo, produzione ad alto volume che consentirebbe al fotovoltaico di scalare a una frazione significativa della produzione energetica globale, " ha spiegato He Yan, un collaboratore della Hong Kong University of Science and Technology.

Il team ha sperimentato un materiale di rivestimento composto da un polimero fluorurato e un fullerene (noto anche come "buckyball"). Prendendo il nome tecnico PffBT4T-2OD, il polimero è attraente per la produzione in scala, raggiungendo un'efficienza di conversione della potenza dichiarata di oltre l'11%. È importante sottolineare che può essere applicato in strati relativamente spessi, favorendo la lavorazione roll-to-roll.

Però, le celle solari più performanti sono state prodotte con il metodo dello spin-coating, un processo in piccoli lotti. Nel rivestimento di rotazione, il fluido viene erogato al centro di un disco o altro substrato, che ruota per stendere il materiale fino a raggiungere lo spessore di rivestimento desiderato. Oltre a generare molti rifiuti, il processo è frammentario, piuttosto che continuo, e le dimensioni del substrato sono limitate.

Quindi il team di ricerca ha deciso di testare metodi di rivestimento commercialmente rilevanti, soprattutto perché PffBT4T-2OD può essere applicato in strati relativamente spessi di 250 nanometri e oltre, o all'incirca delle dimensioni di un virus di grandi dimensioni. Hanno iniziato con il rivestimento della lama, simile a tenere il filo di un coltello a una frazione di un capello sopra un substrato di vetro trattato mentre scorre, dipingere il PffBT4T-2OD sul substrato.

Una serie di misurazioni basate sui raggi X ha rivelato che la temperatura alla quale è stato applicato e asciugato il PffBT4T-2OD ha influenzato significativamente la struttura del materiale del rivestimento risultante, in particolare l'orientamento, spaziatura e distribuzione dei cristalli che si sono formati.

I substrati rivestiti con lama a 90 gradi Celsius (194 gradi F) sono stati i più performanti, raggiungendo efficienze di conversione dell'energia che hanno superato il 9,5 percento. Sorprendentemente, a livello nanometrico, i prodotti finali differivano significativamente dai dispositivi "campione" spin-coattati realizzati in laboratorio. Misurazioni dettagliate in tempo reale sia durante il rivestimento della lama che durante il rivestimento in rotazione hanno rivelato che le diverse strutture sono nate dal rapido raffreddamento durante il rivestimento in rotazione rispetto alla temperatura costante durante il rivestimento in rotazione.

"Le misurazioni in tempo reale sono state fondamentali per sviluppare una corretta comprensione della cinetica di formazione del film e per l'ottimizzazione finale, " disse Aram Amassian, un collaboratore della King Abdullah University of Science and Technology dell'Arabia Saudita.

Incoraggiato dai risultati, il team ha eseguito misurazioni preliminari del rivestimento PffBT4T-2OD formato sulla superficie di un foglio di plastica flessibile. Il rivestimento è stato applicato sulla linea di rivestimento roll-to-roll del NIST, imitando direttamente la produzione su larga scala. Le misurazioni hanno confermato che le strutture dei materiali realizzate con rivestimento a lama e quelle realizzate con rivestimento a fessura erano quasi identiche quando lavorate alle stesse temperature.

"E' chiaro che il tipo di metodo di lavorazione utilizzato influenza la forma dei domini e la loro distribuzione dimensionale nel rivestimento finale, ma queste morfologie nettamente diverse non minano necessariamente le prestazioni, " disse Harald Ade, un collaboratore della North Carolina State University. "Riteniamo che questi risultati forniscano importanti indizi per la progettazione di celle solari polimeriche ottimizzate per la lavorazione roll-to-roll".