Nuovo record per l’efficienza delle celle solari polimeriche
L’efficienza del fotovoltaico organico supera un nuovo traguardo grazie a celle solari polimeriche in grado di trasformare il 20% della luce incidente in elettricità. Succede a Hong Kong dove un gruppo di ingegneri del politecnico, in collaborazione con colleghi provenienti da altre università cinesi, ha riprogettato la miscela di strati attivi. E il risultato raggiunto costituisce oggi una pietra miliare per la tecnologia fotovoltaica organica. Ma per capire meglio l’innovazione è necessario fare qualche passo indietro.
Fotovoltaico organico, la struttura
La maggior parte delle celle solari organiche polimeriche adottano una miscela binaria di strati attivi sotto forma di eterogiunzione di massa (BHJ – Bulk Heterojunction). Questa miscela non è altro che un mix di molecole che assorbono i fotoni (materiali donatori) e molecole che acquisiscono gli elettroni eccitati (materiale accettore). Le prime sono costituite di norma da un polimero conduttore e le seconde da fullereni o, alternativa molto più promettente dal punto di vista delle prestazioni, da accettori non fullerenici. Quest’ultimi composti offrono diversi vantaggi, a partire dalla possibilità di essere progettati per assorbire in maniera efficiente la luce nella regione visibile. Inoltre sono facilmente sintonizzabili, il che significa che è possibile generare un sistema di componenti con bande proibite complementari.
Negli anni la struttura binaria si è evoluta in una ternaria, con strati attivi a tre componenti: due donatori e un accettore o viceversa. questa modifica è stata determinata in gran parte dalla possibilità di ampliare l’assorbimento solare. Il fotovoltaico organico “ternario”, infatti, può essere appositamente progettato con bande di assorbimento che coprano il più possibile la gamma dello spettro solare, incrementando di conseguenza la densità di corrente di corto circuito del dispositivo.
Un boost per l’efficienza del fotovoltaico organico
La ricerca del team cinese si inserisce esattamente a questo livello. L’elemento di partenza? Una cella solare organica binaria, a base di PM6, un polimero semiconduttore coniugato, e BTP-eC9, un accettore semiconduttore non fullerenico di tipo n. Il gruppo ha trasformato la cella binaria in ternaria aggiungendo alla miscela un secondo accettore. Nel dettaglio i ricercatori, guidati da calcoli teorici, hanno sintetizzato l’o-BTP-eC9, un isomero di BTP-eC9 dotato di proprietà fotoelettriche distinte. “Le strutture chimiche molto simili portano ad un’eccellente miscibilità di questi due isomeri”, spiegano gli autori. E i risultati sull’efficienza del fotovoltaico organico sono stati ben evidenti.
“Il dispositivo basato su o-BTP-eC9 ha migliorato lo stato di trasferimento della carica, riducendo quindi significativamente la perdita di energia […] e mostrando un’eccellente efficienza di conversione di potenza del 18,7%. Inoltre, il nuovo accettore ospite o-BTP-eC9 ha un’eccellente miscibilità, cristallinità e compatibilità del livello energetico con BTP-eC9, che consente un’efficienza del 19,9% (19,5% certificato) nel sistema ternario PM6:BTP-C9:o-BTP-eC9“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications (testo in inglese).