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Nov 18, 2023

Uno studio mostra perché le celle solari organiche si stanno degradando così velocemente

University of Cambridge scientists have now revealed an important reason why

Gli scienziati dell’Università di Cambridge hanno ora rivelato un’importante ragione per cui le celle solari organiche si degradano rapidamente durante il funzionamento all’aperto. Le celle solari organiche mostrano una grande promessa per le applicazioni di energia pulita. Tuttavia, i moduli fotovoltaici realizzati con semiconduttori organici non mantengono la loro efficienza abbastanza a lungo sotto la luce solare per applicazioni nel mondo reale.

Il rapporto è stato pubblicato sulla rivista Joule.

La nuova intuizione guiderà la progettazione di materiali più stabili per il fotovoltaico basato su semiconduttori organici, consentendo così la generazione di elettricità rinnovabile e a basso costo.

A causa dei recenti miglioramenti nell’efficienza con cui le celle solari realizzate con semiconduttori organici (a base di carbonio) possono convertire la luce solare in elettricità, migliorare la stabilità a lungo termine di questi dispositivi fotovoltaici sta diventando un argomento sempre più importante.

Le applicazioni reali della tecnologia richiedono che l’efficienza del dispositivo fotovoltaico venga mantenuta per molti anni. Per affrontare questo problema chiave, i ricercatori hanno studiato i meccanismi di degradazione dei due componenti utilizzati nello strato che assorbe la luce delle celle solari organiche: i materiali "donatore di elettroni" e "accettore di elettroni". Questi due componenti sono necessari per dividere la coppia elettrone-lacuna legata formata dopo l'assorbimento di un fotone negli elettroni liberi e nelle lacune che costituiscono la corrente elettrica.

L'immagine mostra la progressione degli eventi man mano che una cella solare organica si degrada a causa dell'esposizione. La ricerca mostra quale problema è stato scoperto dal team e come è possibile migliorare la progettazione. Credito immagine: Università di Cambridge. Per ulteriori informazioni fare clic sul documento del rapporto di ricerca pubblicato su Joule. All'atto dell'affissione il giornale è ad accesso libero, senza paywall.

In questo nuovo studio un team internazionale di ricercatori guidati dal Laboratorio Cavendish, Università di Cambridge, ha considerato per la prima volta i percorsi di degradazione sia dei materiali donatori che accettori di elettroni. L'indagine dettagliata del materiale donatore di elettroni distingue l'attuale lavoro di ricerca dagli studi precedenti e fornisce nuove importanti conoscenze per il settore.

Nello specifico, l’identificazione di un processo di disattivazione ultraveloce esclusivo del materiale donatore di elettroni non è mai stata osservata prima e fornisce una nuova prospettiva per considerare la degradazione del materiale nelle celle solari organiche.

Per capire come questi materiali si degradavano, i ricercatori di Cavendish hanno lavorato come parte di un team internazionale con scienziati nel Regno Unito, Belgio e Italia. Insieme, hanno combinato studi sulla stabilità dei dispositivi fotovoltaici, in cui la cella solare operativa è soggetta a una luce intensa che si avvicina molto alla luce solare, con la spettroscopia laser ultraveloce eseguita a Cambridge.

Attraverso questa tecnica laser, sono stati in grado di identificare un nuovo meccanismo di degradazione nel materiale donatore di elettroni che comporta la torsione della catena polimerica. Di conseguenza, quando il polimero attorcigliato assorbe un fotone, subisce un percorso di disattivazione estremamente rapido su scale temporali di femtosecondi (un milionesimo miliardesimo di secondo). Questo processo indesiderato è abbastanza veloce da superare la generazione di elettroni liberi e lacune da un fotone, che gli scienziati sono stati in grado di correlare con la ridotta efficienza della cella solare organica dopo che è stata esposta alla luce solare simulata.

Il Dr. Alex Gillett, l'autore principale dell'articolo, ha osservato: "È stato interessante scoprire che qualcosa di apparentemente insignificante come la torsione di una catena polimerica potrebbe avere un effetto così grande sull'efficienza della cella solare. In futuro, prevediamo di basarci sulle nostre scoperte collaborando con gruppi di chimici per progettare nuovi materiali donatori di elettroni con dorsali polimeriche più rigide. Ci auguriamo che ciò riduca la propensione del polimero a torcersi e quindi migliori la stabilità del dispositivo di cella solare organica."

Grazie alle loro proprietà uniche, le celle solari organiche possono essere utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni per le quali i tradizionali fotovoltaici al silicio non sono adatti. Ciò potrebbe includere finestre che generano elettricità per le serre che trasmettono i colori della luce necessari per la fotosintesi, o anche pannelli fotovoltaici che potrebbero essere arrotolati per un facile trasporto e per la generazione mobile di elettricità. Pertanto, identificando il meccanismo di degrado che deve essere risolto, la ricerca attuale avvicina direttamente alla realtà la prossima generazione di materiali e applicazioni fotovoltaici.