Da luce a energia elettrica con i composti organici, base per le celle solari del futuro

Promette di essere la pietra filosofale del fotovoltaico. Ci riferiamo al P3TTM, nome del materiale organico capace di trasformare quasi tutta la luce assorbita in energia elettrica e di divenire la base per celle solari del futuro.

A scoprire le straordinarie proprietà di questa molecola appartenente alla famiglia dei radicali organici è un team internazionale di ricerca nato dalla collaborazione tra le Università di Pisa, Cambridge e Mons. L’ateneo pisano ha svolto l’analisi computazionale, fondamentale per la scoperta che potrebbe aprire la strada a celle solari e altri dispositivi elettronici innovativi in grado di sfruttare pienamente la luce come fonte energetica.

La ricerca interuniversitaria per le celle solari del futuro

L’importante scoperta è il frutto di una ricerca condotta a livello interuniversitario e che ha coinvolto specialisti di diversi campi, a livello teorico e sperimentale.

Il contributo italiano nel lavoro di ricerca è stato essenziale. In questo senso, va citato Giacomo Londi. Il ricercatore, oggi attivo al Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa, ha lavorato «per fornire una prova computazionale e per riuscire a comprendere, attraverso calcoli quantomeccanici, come le molecole di P3TTM interagiscono tra loro dopo essere state colpite dalla luce», racconta a Infobuild Energia.

Nello specifico, Londi ha svolto simulazioni al computer per capire come si comportano le molecole e quindi le loro proprietà ottiche ed elettroniche, dal punto di vista computazionale usando modelli basati sulla chimica quantistica.

La base di studio della ricerca

La ricerca si è focalizzata su questa nuova classe di composti organici. «I radicali organici hanno la peculiarità di essere molto reattivi, avendo almeno un elettrone spaiato in un orbitale molecolare. Di norma, si parla di sistemi “a guscio chiuso” in cui, ogni orbitale è occupato da due elettroni. Nel caso dei radicali organici, abbiamo solamente un elettrone in un orbitale molecolare. Questo comporta un’elevata reattività e anche proprietà optoelettroniche e magnetiche molto interessanti».

Questi sistemi organici radicali sono stati inizialmente studiati per la loro fotoluminescenza elevata ed efficiente, nel contesto degli OLED, i diodi organici a emissione di luce, utilizzati per realizzare i moderni display. Finora, però, non era stato investigato il loro ruolo nella generazione di foto-corrente, quali materiali per celle solari, che invece è stato l’oggetto dello studio condotto dai tre atenei.

«Abbiamo notato che, utilizzando la molecola P3TTM è possibile produrre foto-corrente e quindi dalla generazione di cariche estrarle con un’“efficienza di raccolta” prossima al 100%. Le molecole non solo vengono eccitate per mezzo della luce, ma si scambiano elettroni tra loro, creando coppie di particelle cariche. Quando queste vengono separate da un semplice campo elettrico, la conversione in corrente elettrica è quasi perfetta».

Facilmente realizzabili, sostenibili, performanti: la forza dei radicali organici

La peculiarità che rende interessanti questi semiconduttori organici è che, oltre a esprimere una capacità di questo tipo sono materiali -a basso impatto, oltre che a basso costo. «Fondamentalmente sono costituiti a base di carbonio e quindi facilmente sintetizzabili in laboratorio e anche facilmente smaltibili», specifica il ricercatore dell’Università di Pisa. È una differenza sostanziale rispetto a semiconduttori inorganici a base di silicio o di arseniuro di gallio, da tempo impiegati per realizzare il fotovoltaico a film sottile.

Come riporta lo stesso ateneo pisano, la novità apportata da questi radicali organici è che:

“illuminando sottilissimi film di P3TTM con luce blu-violetta, le molecole non solo si eccitano ma si scambiano elettroni tra loro, creando coppie di particelle cariche. Quando queste vengono separate da un semplice campo elettrico, la conversione in corrente elettrica è quasi perfetta: un’“efficienza di raccolta” vicina al 100%. In altre parole, quasi tutta l’energia della luce viene trasformata in elettricità utilizzabile.”

Il processo è altamente sostenibile, sfruttando la luce solare, e permette di promuovere il meccanismo di separazione di cariche, che predomina su quello della loro ricombinazione,  «quindi è molto più facile separarle, evitando che possano ricombinarsi per emettere un fotone e non rendendo più possibile recuperare le cariche come foto-corrente».

Le opportunità aperte: lo sviluppo di celle solari e dispositivi elettronici innovativi

La ricerca ha il merito di aprire a nuove opportunità, da studiare e da perfezionare.

«A livello tecnologico, bisognerebbe approfondire ancora il ruolo della molecola organica per far sì che l’efficienza sia ancora più  alta e per capire se e come favorire le interazioni intermolecolari, e renderle ancora più forti per far sì che la generazione di cariche per effetto della luce sia massima».

In ogni caso lo studio offre un vantaggio importante. Normalmente, nelle celle solari organiche convenzionali a eterogiunzione la conversione della luce in elettricità avviene all’interfaccia tra un materiale elettron-donatore e uno elettron-accettore, e tuttavia a scapito dell’efficienza.

«Nel caso del nostro studio, c’è un solo materiale: quindi, si parla di omogiunzione. Finora era stata solo poco più di ”una prova di concetto”, oltretutto con scarse efficienze di fotocorrente. Noi siamo andati oltre e abbiamo provato che solamente col materiale P3TTM si possono raggiungere rese prossime al 100%, ed è questo il grande vantaggio rappresentato dai risultati della nostra ricerca».

Nascono, così, i presupposti per mettere a punto nuove celle solari, contando sulla possibilità di una omogiunzione con un’efficienza di fotocorrente vicina al 100%. «Grazie a questo lavoro di équipe abbiamo dimostrato che il meccanismo alla base di questo processo si deve alla natura stessa della molecola, aprendo la strada a una nuova generazione di celle solari più semplici e sostenibili», conclude Londi.

Oltre alle celle solari, la ricerca apre il campo per lo sviluppo di sensori ottici e magnetici, e a dispositivi elettronici innovativi che sfruttano la luce come fonte diretta di energia

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