Come i semiconduttori organici stanno rivoluzionando l'energia solare

I ricercatori hanno migliorato la raccolta dell’energia solare sviluppando semiconduttori organici che offrono un’alternativa più economica e più adattabile al silicio. Una recente scoperta rivela che questi materiali possono raggiungere efficienze più elevate attraverso un meccanismo unico in cui gli elettroni guadagnano energia, aprendo la strada a celle solari e tecnologie di produzione di carburante più efficaci.

L’energia solare svolge un ruolo vitale nella transizione verso un futuro di energia pulita. In genere, il silicio, un semiconduttore comune presente nell'elettronica di tutti i giorni, viene utilizzato per raccogliere l'energia solare. Tuttavia, i pannelli solari in silicio presentano dei limiti: sono costosi e difficili da installare su superfici curve.

I ricercatori hanno sviluppato materiali alternativi per la raccolta dell’energia solare per risolvere tali carenze. Tra i più promettenti ci sono i cosiddetti semiconduttori “organici”, semiconduttori a base di carbonio che sono abbondanti sulla Terra, più economici e rispettosi dell’ambiente.

"Possono potenzialmente ridurre i costi di produzione dei pannelli solari perché questi materiali possono essere rivestiti su superfici arbitrarie utilizzando metodi basati su soluzioni, proprio come dipingiamo un muro", ha affermato Wai-Lun Chan, professore associato di fisica e astronomia all'Università. del Kansas. “Questi materiali organici possono essere sintonizzati per assorbire la luce a lunghezze d’onda selezionate, che possono essere utilizzate per creare pannelli solari trasparenti o pannelli con colori diversi. Queste caratteristiche rendono i pannelli solari organici particolarmente adatti per l’uso negli edifici verdi e sostenibili di prossima generazione”.

Sebbene i semiconduttori organici siano già stati utilizzati nei pannelli dei display dei dispositivi elettronici di consumo come telefoni cellulari, TV e visori per la realtà virtuale, non sono ancora stati ampiamente utilizzati nei pannelli solari commerciali. Uno dei difetti delle celle solari organiche è stata la loro bassa efficienza di conversione da luce a elettricità, circa il 12% rispetto alle celle solari in silicio monocristallino che funzionano con un'efficienza del 25%.

Secondo Chan, gli elettroni nei semiconduttori organici si legano tipicamente alle loro controparti positive note come “buchi”. In questo modo, la luce assorbita dai semiconduttori organici spesso produce quasiparticelle elettricamente neutre note come “eccitoni”.

Ma il recente sviluppo di una nuova classe di semiconduttori organici noti come accettori non fullerenici (NFA) ha cambiato questo paradigma. Le celle solari organiche realizzate con NFA possono raggiungere un’efficienza vicina al 20%.

Nonostante le loro eccezionali prestazioni, non è ancora chiaro alla comunità scientifica il motivo per cui questa nuova classe di NFA superi significativamente le prestazioni degli altri semiconduttori organici.

In uno studio rivoluzionario apparso su Advanced Materials, Chan e il suo team, tra cui gli studenti laureati Kushal Rijal (autore principale), Neno Fuller e Fatimah Rudayni del dipartimento di Fisica e Astronomia, e in collaborazione con Cindy Berrie, professore di chimica alla KU, hanno scoperto un meccanismo microscopico che risolve in parte le eccezionali prestazioni raggiunte da un NFA.

L'autore principale Kushal Rijal (a destra) e Neno Fuller (a sinistra) hanno eseguito la misurazione TR-TPPE utilizzando il sistema di spettroscopia di fotoemissione ad altissimo vuoto mostrato nell'immagine. Credito: Kushal e Fuller

La chiave di questa scoperta sono state le misurazioni effettuate dall’autore principale Rijal utilizzando una tecnica sperimentale denominata “spettroscopia di fotoemissione a due fotoni risolta nel tempo” o TR-TPPE. Questo metodo ha permesso al team di tracciare l'energia degli elettroni eccitati con una risoluzione temporale inferiore al picosecondo (meno di un trilionesimo di secondo).

"In queste misurazioni, Kushal [Rijal] ha osservato che alcuni degli elettroni otticamente eccitati nell'NFA possono guadagnare energia dall'ambiente invece di perdere energia nell'ambiente", ha detto Chan. “Questa osservazione è controintuitiva perché gli elettroni eccitati in genere perdono la loro energia nell’ambiente come una tazza di caffè caldo perde il suo calore nell’ambiente circostante”.

Il team, il cui lavoro è stato supportato dall’Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell’Energia, ritiene che questo insolito processo avvenga su scala microscopica grazie al comportamento quantistico degli elettroni, che consente a un elettrone eccitato di apparire simultaneamente su diverse molecole. Questa stranezza quantistica si accoppia con la Seconda Legge della Termodinamica, secondo la quale ogni processo fisico porterà ad un aumento dell’entropia totale (spesso noto come “disordine”) per produrre l’insolito processo di guadagno di energia.

"Nella maggior parte dei casi, un oggetto caldo trasferisce calore al suo ambiente freddo perché il trasferimento di calore porta ad un aumento dell'entropia totale", ha detto Rijal. “Ma abbiamo scoperto che per le molecole organiche disposte in una specifica struttura su scala nanometrica, la direzione tipica del flusso di calore è invertita affinché l’entropia totale aumenti. Questo flusso di calore invertito consente agli eccitoni neutri di guadagnare calore dall'ambiente e di dissociarsi in una coppia di cariche positive e negative. Queste cariche gratuite possono a loro volta produrre corrente elettrica”.