Approfondimenti sul funzionamento delle celle solari Le celle solari a colorante organico (dye-sensitised solar cells, DSSC), che usano la luce per produrre elettricità o idrogeno, sono attualmente la più efficiente tecnologia solare di terza generazione. Degli incrementi nella loro efficienza di conversione, ottenuti attraverso una migliore comprensione di come funzionano i materiali che assorbono la luce, le renderà allettanti per l’impiego su larga scala. Energia © Thinkstock Le DSSC hanno attirato un grande interesse quali promettenti alternative alle tradizionali celle solari basate sul silicio, in particolare poiché esse contengono meno materiali costosi e richiedono dei processi di fabbricazione relativamente semplici. Queste celle sono formate da un anodo di ossido di titanio (TiO2) fotosensibilizzato (ricoperto con una tinta molecolare che assorbe la luce solare), un elettrolita liquido e un catodo metallico. Dato che la fotocorrente dipende dai nanomateriali della tinta, spiegazione e controllo della loro attività interfacciale sono indispensabili per aumentare l’efficienza della conversione fotoelettrica. Nell’ambito del progetto POLYMAP (Mapping and manipulating interfacial charge transfer in polymer nanostructures for photovoltaic applications), in parte finanziato dall’EU, gli scienziati hanno chiarito il rapporto tra attività elettrochimica o elettrocatalitica dei materiali e cambiamenti nella loro morfologia che avvengono alle interfacce dell’elettrodo nelle DSSC. Utilizzando una nuova tecnica di indagine elettrochimica a scansione ad alta risoluzione, ovvero la SECCM (scanning electrochemical cell microscopy), gli scienziati hanno superato le difficoltà associate allo studio dei materiali nanostrutturati dell’elettrodo. Illuminando gli elettrodi e usando la SECCM, sono riusciti a mappare, con variazioni della risoluzione inferiori al micrometro per quanto riguarda l’attività fotoelettrochimica del TiO2, aggregati rivestiti con una tinta. La modulazione dell’intensità della luce ha permesso al team di studiare i processi di perdita che limitano le efficienze di conversione. Visto il loro ruolo fondamentale nei meccanismi del trasporto di carica, il lavoro è stato anche mirato a preparare ed effettuare la caratterizzazione elettrochimica di polimeri coniugati che variavano in spessore da 5 a 500 nm. Dopo averli messi sotto il microscopio, essi hanno osservato delle variazioni nell’attività elettrochimica soprattutto perché i film elettroattivi erano eterogenei. Combinando inoltre la SECCM con la microscopia a forza atomica e la microspettroscopia Raman, il team ha scoperto una relazione tra la struttura e la reattività dei film organici elettrodepositati. Altri materiali quali i nanotubi di carbonio aumentavano il tasso di reazione chimica e si sono rivelati elettroattivi su tutta la loro lunghezza. Tuttavia, la loro morfologia influisce sulla loro reattività. Gli scienziati hanno inoltre dimostrato che i nanotubi di carbonio puri e privi di difetti sono degli elettrocatalizzatori efficaci quanto l’oro. Questo ha delle implicazioni importanti, in particolare per la produzione di perossido di idrogeno da usare come combustibile. Infine, sono state ampiamente studiate le nanoparticelle di ossido di iridio come fotocatalizzatori per la dissociazione dell’acqua, dimostrando notevoli variazioni nella loro attività elettrocatalitica come funzione del potenziale dell’elettrodo. I risultati del progetto forniscono una nuova prospettiva sui dispositivi fotovoltaici su scala nanoscopica, consentendo in definitiva la progettazione di migliori DSSC. Parole chiave Celle solari a colorante organico, efficienza conversione, elettrochimico, attività elettrocatalitica, microscopia elettrochimica a scansione della cella
