Come avviene la conversione della luce in corrente in una cella fotovoltaica organica

Uno studio pubblicato sulla rivista Scienze, condotto dall’Istituto nanoscienze del Cnr a Modena (Nano-Cnr) e dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr), in collaborazione con Politecnico di Milano, Università di Modena e Reggio Emilia e con colleghi tedeschi, francesi e spagnoli, spiega, attraverso un filmato realizzato su una scala di milionesimi di miliardesimi di secondo, come inizia il processo di trasformazione della luce del sole in corrente elettrica in una cella solare organica.

La ricerca dimostra che i primissimi istanti della foto-conversione sono governati dalla natura quantistica di elettroni e nuclei, coinvolti in oscillazioni coerenti in tempi ultra-veloci.

Le celle solari organiche, più economiche e versatili dei rigidi pannelli solari al silicio, sono ritenute tra le tecnologie chiave per la produzione sostenibile e pulita di energia rinnovabile.

“Al loro interno sono presenti dei polimeri che assorbono la luce mettendo in movimento elettroni”, spiega Carlo Andrea Rozzi di Nano-Cnr, “e delle macro-molecole formate da 60 atomi di carbonio, note come Fullereni, che raccolgono carica elettrica. Ci siamo proposti di capire come si innesca tra le due molecole il trasferimento di elettroni che dà luogo alla corrente”. “Un fenomeno che avviene a velocità talmente sbalorditive da renderlo fino ad ora sperimentalmente inaccessibile”, aggiunge Giulio Cerullo del Politecnico di Milano e di Ifn-Cnr. “Ora, finalmente, siamo in grado di osservarlo e catturarne i singoli fotogrammi grazie a flash di luce laser ultraveloci, una tecnologia sviluppata presso il Dipartimento di fisica del Politecnico”.
Per studiare cosa accade in un tempo di poche decine di femtosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondi) i ricercatori hanno combinato gli esperimenti di spettroscopia laser ultraveloce, coordinati da Giulio Cerullo, con una serie di simulazioni al calcolatore, coordinate da Carlo Andrea Rozzi. “Abbiamo simulato la dinamica del trasferimento di elettroni tra polimero e fullerene tenendo conto della natura quantistica della materia”, spiega Elisa Molinari, fisica dell’Università di Modena e Reggio Emilia e direttrice del polo modenese di Nano-Cnr. “Il filmato che otteniamo è sorprendente. Calcoli ed esperimenti indicano che il big-bang dell’intero processo di fotoconversione avviene grazie all’oscillazione coordinata di elettroni e nuclei atomici, un comportamento che i fisici chiamano coerenza quantistica, senza il quale non si darebbe avvio al trasferimento di carica e non si otterrebbe nessuna corrente elettrica. Crediamo che questi risultati potranno guidare la costruzione di nuovi materiali artificiali capaci di convertire la luce solare in energia con la massima efficienza”.

Nell’immagine la ‘nuvola’ chiara illustra le oscillazioni di un elettrone dopo che la luce solare è assorbita al tempo zero. Il trasferimento di carica dal polimero al fullerene avviene tramite oscillazioni che danno avvio al processo fotovoltaico. La scala dei tempi è quella dei femto-secondi (0.000000000000001 secondi), le dimensioni sono di circa due nanometri (0.000000001 metri).

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