Nuova luce sui meccanismi fondamentali delle celle solari organiche
Il fotovoltaico organico è un campo molto attivo della ricerca che, come parte del più vasto campo dell’elettronica organica, affronta sfide nella comprensione della struttura dei materiali e nelle proprietà risultanti. La ricerca aiuterà a scoprire materiali organici avanzati per costruire celle solari migliorate, quindi più leggere, meno costose e più flessibili, creando nuove possibilità per le celle solari e l’elettronica. Mentre il lavoro di modellizzazione vanta una forte spinta verso la progettazione di materiali migliorati, non sono ancora ampiamente disponibili degli strumenti computazionali che colmano le tempistiche relative ai processi elettronici relativi ai materiali organici. Affrontando questa esigenza, i ricercatori del progetto BEST hanno sviluppato con successo una piattaforma di modellizzazione multi-scala integrata che descrive più accuratamente i processi elettronici fondamentali che si svolgono nei semiconduttori organici. Un grande obiettivo del progetto era quello di studiare i materiali attivi tipicamente costituiti da una miscela di un elettrone di fullerene accettore e un donatore di elettroni a base di polimeri che viene eccitato a livello ottico, e il modo in cui questa eccitazione si estende sulle molecole e viene convertita per separare le cariche che generano elettricità. I risultati della ricerca dimostrano che gli stati elettronici dei derivati fullerenici solubili sono caratterizzati da elementi portatori di carica localizzati a temperatura ambiente i quali alimentano stati ad alta energia. Aumentando le distanze elettrone-lacuna, la delocalizzazione degli stati eccitati aiuta a ridurre le perdite di energia attraverso la ricombinazione di carica, un processo che limita fortemente l’efficienza delle celle solari organiche. Un’altra parte dello studio BEST si è focalizzata sul meccanismo in gran parte inesplorato della fissione di singoletto nei materiali organici. Le celle solari sensibilizzate con una fissione di singoletto sono in grado di aumentare significativamente l’efficienza di conversione dell’energia. Combinando il lavoro di modellizzazione e le misure di spettroscopia con risoluzione temporale, il team ha ottenuto un’ulteriore spaccato della complessa struttura elettronica e delle proprietà di stato eccitato in relazione ai co-cristalli pentacene-perfluoropentacene. La mancanza di una chiara comprensione del meccanismo molecolare di drogaggio dei semiconduttori organici è uno dei principali fattori che ostacolano l’adozione diffusa delle celle solari organiche. I ricercatori hanno proposto un modello generale per lo studio del drogaggio molecolare, il quale può essere completamente parametrizzato da calcoli di primo principio che descrivono con maggiore precisione le relazioni struttura-proprietà nei semiconduttori drogati. I lavori teorici e computazionali guidati dal progetto BEST dovrebbero aiutare la progettazione avanzata di materiali organici per la costruzione di celle solari più efficienti.
Parole chiave
Celle solari organiche, processi elettronici, BEST, semiconduttori organici, fissione di singoletto
