Esplorare gli spin alla ricerca di nuove regole di progettazione dei materiali per il fotovoltaico organico
I dispositivi di elettronica organica si servono di piccole molecole o polimeri organici dotati di proprietà elettroniche utili, come la conducibilità. I costi contenuti e la grande lavorabilità li rendono competitivi nel mercato energetico, mentre la loro flessibilità e la facilità di adattamento, inclusi colori e gradi di trasparenza diversi, ne agevolano l’integrazione nel progetto dell’edificio. Il progetto SpinSolar, finanziato dall’UE, ha utilizzato la spettroscopia di risonanza di spin elettronico (ESR) per caratterizzare dettagliatamente i processi dipendenti dallo spin nelle molecole organiche e nei materiali destinati al fotovoltaico e all’optoelettronica. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie. «L’individuazione di nuovi materiali funzionali e la caratterizzazione dell’ambiente e delle interazioni di questi ultimi può aiutarci a comprendere in che modo le proprietà molecolari determinano la funzione nelle potenziali applicazioni tecnologiche future», spiega il coordinatore del progetto Jan Behrends.
Una maggiore comprensione del rapporto tra struttura e proprietà
I ricercatori hanno impiegato l’ESR per indagare la natura e la dinamica delle molecole paramagnetiche nei nuovi materiali funzionali organici. L’ESR si distingue dalle altre tecniche di caratterizzazione attualmente usate per analizzare questi materiali poiché seleziona le molecole che trasportano elettroni non accoppiati e offre informazioni dirette sul loro ambiente su nanoscala. I membri del gruppo di ricerca hanno studiato la correlazione esistente tra le strutture delle molecole e dei materiali organici e le relative proprietà elettroniche. Hanno esaminato una serie di aceni a spirale, molecole organiche basate su anelli benzenici fusi che fungono da materiali attivi in una serie di dispositivi di elettronica organica. Dai risultati è emerso come la distribuzione degli elettroni non accoppiati nello stato di tripletto fotoeccitato della molecola cambi quando viene ulteriormente attorcigliata, allontanandosi dalla condizione di planarità, e come ciò ne influenzi le proprietà. «Anche modifiche minime del grado di torcimento appaiono come chiari cambiamenti nello spettro ESR misurato, cosa che dimostra l’elevata sensibilità di questa tecnica», chiarisce la borsista Marie Skłodowska-Curie Claudia Tait.
Nuove intuizioni sulle proprietà dei materiali rilevanti
Una grande sfida nel campo dell’elettronica organica è quella di controllare la conducibilità dei polimeri attraverso il doping molecolare. Il progetto SpinSolar ha quindi studiato il doping del P3HT, un polimero organico che può essere reso conduttivo mediante ossidazione e il cui utilizzo viene preso in considerazione nelle celle solari, nei transistori a effetto di campo e nei sensori chimici. «Nell’ambito di uno studio ottico e spettroscopico ESR combinato, abbiamo comparato una serie di dopanti e varie forme del polimero, allo scopo di identificare le proprietà molecolari rilevanti per ottenere un doping efficace», aggiunge Behrends. La capacità dell’ESR di quantificare e caratterizzare le specie paramagnetiche prodotte attraverso il doping ha dimostrato come il meccanismo di doping sia determinato principalmente dall’abilità del polimero di delocalizzare la carica acquisita, piuttosto che dalla dimensione o dalla forma della molecola dopante. È inoltre emerso come dopanti diversi possano condurre a firme spettrali ESR significativamente divergenti del sistema dopante del polimero e come, per raggiungere una caratterizzazione accurata, siano necessarie avanzate tecniche ESR a impulsi con bande di frequenza multiple. Il progetto SpinSolar è riuscito nell’intento di dimostrare il potenziale della tecnica basata sull’ESR, e in particolare dei metodi a impulsi avanzati, nel rispondere a una vasta gamma di domande. Tait e Behrends concludono: «La conoscenza delle correlazioni presenti tra la struttura molecolare e le proprietà elettroniche ottenuta con questa tecnica potrebbe influenzare la progettazione di nuovi materiali funzionali e combinazioni di questi ultimi per il fotovoltaico e altri dispositivi di elettronica organica».
Parole chiave
SpinSolar, elettronica organica, risonanza dello spin elettronico (ESR), fotovoltaico, doping molecolare