Fotovoltaico: maggiore efficienza per le celle fotovoltaiche organiche

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L’uso del fotovoltaico organico per la produzione di energia elettrica dall’irradiazione solare offre una base interessante e un mezzo promettente, oltre che innovativo ed ecologico, per l’approvvigionamento energetico.

I moduli fotovoltaici organici possono essere fabbricati in modo economico e dal momento che sono caratterizzati da un involucro di plastica risultano anche estremamente flessibili.

L’unico limite è che sono ancora meno efficienti rispetto alle tradizionali celle fotovoltaiche che utilizzano semiconduttori inorganici.

Il processo cruciale nella conversione della luce in corrente continua è la generazione di portatori di carica liberi.

Nella prima fase di fotoconversione, nell’assorbimento della radiazione luminosa, un componente della cella solare organica, in genere un polimero, rilascia elettroni che vengono assorbiti dalla seconda componente della cella, in questo caso da nanoparticelle di silicio, e può essere trasportato ulteriormente.

I meccanismi e la timescale di separazione di carica sono stati oggetto di un controverso dibattito scientifico da molti anni.

In collaborazione con i ricercatori dell’Università Tecnica di Monaco e dell’Università di Bayreuth, il professore di fisica Riedle e il suo gruppo sono stati in grado di sezionare dettagliatamente il processo.

Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato un nuova tipologia di celle fotovoltaiche ibride caratterizzate sia da costituenti organici che inorganici, in cui il silicone funge da accettore di elettroni.

In relazione ai risultati ottenuti con questo sistema, hanno sviluppato una strategia di elaborazione che consente di migliorare l’ordine strutturale del polimero e hanno scoperto che l’ordine strutturale migliora l’efficienza di separazione di carica nei semiconduttori organici fino a raddoppiarla.

I risultati di questi studiosi forniscono un nuovo modo di ottimizzare le prestazioni delle celle solari organiche.

Grazie ad una strumentazione all’avanguardia i ricercatori hanno seguito i processi ultraveloci indotti dai fotoni in tempo reale.

Invece di utilizzare i fullereni, tipici delle celle solari organiche, è stato utilizzato il silicio come accettore di elettroni, una scelta che comporta due grandi vantaggi:

– con queste celle fotovoltaiche ibride, i ricercatori sono stati capaci di sondare nel profondo i processi fotofisici che si attuano nel polimero con migliore risoluzione e precisione rispetto al passato;

– l’utilizzo del silicio consente di sfruttare numerose lunghezze d’onda dello spettro solare.

E’ stato scoperto che i portatori di carica liberi, i cosiddetti polaroni, non vengono generati immediatamente dopo la fotoeccitazione, ma con un ritardo di circa 140 fs.

La fotoeccitazione di un polimero inizialmente porta alla formazione di uno stato eccitato chiamato eccitone.

Successivamente questo dissocia, rilasciando un elettrone, che viene trasferito all’accettore di elettroni.

La perdita di elettroni lascia cariche positive che sembrano degli “holes” nel polimero e come entità di carica opposta sono attratti l’uno dall’altro dalla forza di Coulumb, e hanno tendenza a ricombinarsi.

“Al fine di ottenere portatori di carica liberi, gli elettroni e gli holes devono entrambi essere sufficientemente mobili per superare la forza di Coulomb” questo è quanto spiega Daniel Herrmann, il primo autore del nuovo studio.

Il team di ricerca è stato in grado di mostrare, per la prima volta, che questo evento è molto più facile da raggiungere in polimeri con una struttura ordinata e regolare piuttosto che in polimeri disposti caoticamente.

In altre parole, un alto grado di auto-organizzazione del polimero aumenta significativamente l’efficienza della separazione di carica.

Il polimero utilizzato è uno dei pochi noti ad avere la tendenza ad auto-organizzarsi. Questa tendenza può essere inibita, ma si può anche aumentare la propensione intrinseca del polimero di auto-organizzazione.

Grazie ad una ottimizzazione del polimero P3HT, i ricercatori sono riusciti a raddoppiare la resa dei portatori di carica liberi e quindi sono stati capaci di incrementare l’efficienza delle loro celle fotovoltaiche  organiche sperimentali.

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