Progressi significativi nella tecnologia delle celle solari organiche grazie all’uso di coloranti organici
Progressi significativi nella tecnologia delle celle solari organiche grazie all’uso di coloranti organiciUn team di ricerca della Technische Universität München (TUM) ha compiuto notevoli progressi nella tecnologia delle celle solari organiche, incorporando coloranti organici. Questi coloranti facilitano il movimento degli eccitoni, fondamentali per la conversione dell’energia, migliorando così l’efficienza delle celle solari. Il loro lavoro apre nuove possibilità per le celle solari organiche e i diodi emettitori di luce, offrendo potenziali soluzioni energetiche più sostenibili.
Coloranti organici per accelerare il trasporto dell’energia solare accumulata
Il sole fornisce enormi quantità di energia alla Terra, ma le celle solari perdono sempre una parte di questa energia. Questo rappresenta un ostacolo nell’uso delle celle solari organiche, specialmente per quelle applicabili in soluzioni innovative.
Un fattore cruciale per migliorare la loro efficienza è migliorare il trasporto dell’energia solare accumulata nel materiale. Il team di ricerca della TUM ha dimostrato che certi coloranti organici possono aiutare a costruire autostrade virtuali per l’energia.
Celle solari organiche: leggere, sottili e flessibili
Le celle solari organiche sono leggere, estremamente sottili e come rivestimento flessibile si adattano perfettamente a quasi tutte le superfici: le celle solari basate su semiconduttori organici aprono una gamma di possibilità applicative, ad esempio, come pannelli solari e film che possono essere arrotolati, o per l’uso su dispositivi intelligenti.
Tuttavia, uno svantaggio in molte applicazioni è il trasporto relativamente scarso dell’energia raccolta all’interno del materiale. I ricercatori stanno studiando i processi di trasporto elementari delle celle solari organiche per trovare modi per migliorare questo trasporto.
Stimolare la luce solare
Uno di questi ricercatori è Frank Ortmann, professore di Metodi Teorici in Spettroscopia alla TUM. Lui e i suoi colleghi di Dresda si concentrano più di tutto sull’interazione reciproca tra luce e materiale, in particolare sul comportamento di ciò che viene chiamato eccitoni.
“Gli eccitoni sono una sorta di carburante del sole, che deve essere utilizzato in modo ottimale”, spiega Ortmann, che è anche membro del Cluster di Eccellenza “e-conversion”. “Quando l’energia luminosa sotto forma di fotone si scontra con il materiale di una cella solare, viene assorbita e accumulata come uno stato eccitato. Questo stato intermedio è definito eccitone.”
Coloranti turbo per un trasporto più efficiente degli eccitoni
Queste cariche non possono essere utilizzate come energia elettrica fino a quando non raggiungono un’interfaccia appositamente progettata. Ortmann e il suo team hanno dimostrato che è possibile creare autostrade di trasporto degli eccitoni utilizzando coloranti organici.
La ragione per cui è così importante che gli eccitoni raggiungano questa interfaccia il più rapidamente possibile ha a che fare con la loro breve durata di vita. “Più veloce e mirato è il trasporto, maggiore è la resa energetica, e quindi maggiore è l’efficienza della cella solare”, afferma Ortmann.
Pacchetti di energia sulla corsia veloce
Le molecole dei coloranti organici, chiamate merocianine chinoidi, rendono possibile questo trasporto grazie alla loro struttura chimica e alla loro eccellente capacità di assorbire la luce visibile. Di conseguenza, sono anche adatte per essere utilizzate come strato attivo in una cella solare organica, spiega Ortmann.
Utilizzando misurazioni spettroscopiche e modelli, i ricercatori sono stati in grado di osservare gli eccitoni che corrono attraverso le molecole del colorante. ”Il valore di 1,33 elettronvolt fornito dal nostro design è ben al di sopra dei valori riscontrati nei semiconduttori organici - si potrebbe dire che le molecole del colorante organico formano una sorta di superstrada”, aggiunge Ortmann.
Queste nuove scoperte fondamentali potrebbero aprire la strada a un trasporto di eccitoni più efficiente e mirato nella materia solida organica, accelerando lo sviluppo di celle solari organiche e diodi emettitori di luce organici con prestazioni ancora più elevate.
Riferimento: “Directed exciton transport highways in organic semiconductors” di Kai Müller, Karl S. Schellhammer, Nico Gräßler, Bipasha Debnath, Fupin Liu, Yulia Krupskaya, Karl Leo, Martin Knupfer e Frank Ortmann, 12 settembre 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-41044-9