Nuovi progressi per l’efficienza del fotovoltaico organico
Un team di ricercatori guidati dal SANKEN (Istituto di ricerca scientifica e industriale) dell’Università di Osaka ha sintetizzato una nuova molecola che conferisce alle celle solari organiche un’eccellente efficienza di conversione dell’energia.
Le celle fotovoltaiche organiche (OSC) – promettenti alternative alle tradizionali celle solari inorganiche – hanno molte caratteristiche che le rendono protagoniste di un futuro più verde. Una di queste caratteristiche è la chimica modulabile, che consente agli scienziati di regolare o modificare con precisione le proprietà dei sistemi chimici per ottenere i risultati desiderati. Ora i ricercatori giapponesi le hanno messe a punto per aumentare l’efficienza nella conversione di energia.
In uno studio pubblicato recentemente su Angewandte Chemie International Edition, i ricercatori dell’Università di Osaka hanno presentato un nuovo semiconduttore organico che offre una migliore efficienza di conversione dell’energia rispetto agli standard tradizionali.
Nonfullerene Acceptors Bearing Spiro-Substituted Bithiophene Units in Organic Solar Cells: Tuning the Frontier Molecular Orbital Distribution to Reduce Exciton Binding Energy: https://doi.org/10.1002/anie.202412691
Le OSC sono leggere e flessibili e possono essere prodotte su larga scala a costi relativamente bassi. Sono quindi molto promettenti per applicazioni come l’agrivoltaico, dove grandi aree di terreno vengono utilizzate per coltivare simultaneamente i raccolti e trasformare l’energia del sole in elettricità.
In genere, le OSC contengono due semiconduttori organici, uno per trasportare i portatori di carica noti come elettroni (l’accettore) e uno per trasportare gli altri portatori noti come lacune (il donatore). La corrente scorre in un semiconduttore quando gli eccitoni – la combinazione di un elettrone e di una lacuna positiva – si dividono in questi vettori dando origine a coppie. Gli eccitoni sono strettamente legati tra loro, ma la luce solare con sufficiente energia può provocarne la dissociazione e generare corrente.
“Ridurre la quantità di energia necessaria per rompere un eccitone – l’energia di legame dell’eccitone – rende più facile convertire la luce nella corrente desiderata”. Spiega l’autore principale dello studio Seihou Jinnai. “Ci siamo quindi concentrati sui fattori che contribuiscono all’energia di legame, uno dei quali è la distanza tra l’elettrone e la lacuna. Se questa viene aumentata, l’energia di legame dovrebbe diminuire”.
I ricercatori hanno quindi progettato una molecola con unità laterali che hanno l’effetto di separare le parti della molecola che ospitano l’elettrone e la lacuna. La molecola sintetizzata è stata utilizzata come accettore in un OSC a etero-giunzione bulk insieme a un materiale donatore. Così il sistema ha mostrato una maggiore efficienza di conversione di potenza rispetto allo standard abituale. La molecola è stata testata anche come singolo componente di un OSC e ha mostrato una migliore conversione della luce in corrente.
“Abbiamo dimostrato che la natura delle unità laterali nelle molecole accettatrici è fondamentale per il comportamento degli eccitoni e la conseguente efficienza”. Spiega l’autore senior Yutaka Ie. “Questo risultato fornisce un’importante dimostrazione di ciò che si può ottenere mettendo a punto la chimica per le applicazioni OSC”.
I risultati indicano il potenziale della progettazione mirata di semiconduttori organici e si prevede che porteranno a nuovi dispositivi. Tra questi OSC ad alte prestazioni e OSC trasparenti selezionabili in base alla lunghezza d’onda. I miglioramenti generali delle prestazioni dovrebbero anche aumentare il potenziale degli OSC nelle applicazioni fotovoltaiche su larga scala, portando così ad alternative energetiche verdi.
