Celle solari organiche: i problemi d’efficienza e come risolverli

Identificato un meccanismo chiave responsabile della minore efficienza della tecnologia organica e una strategia per aggirarlo

Celle solari organiche
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Un nuovo percorso per portare le celle solari organiche oltre il 20% d’efficenza

(Rinnovabili.it) – Le celle solari organiche, grazie alla loro flessibilità, semi-trasparenza ed economicità, rappresentano una soluzione interessante per la diffusione del fotovoltaico integrato. Potrebbero essere applicate nell’agrovoltaico o fondersi con le vetrate degli edifici; potrebbero essere usate per sfruttare la luce degli ambienti interni o essere impiegate in impianti di generazione elettrica mobili per portare energia in aree remote del pianeta o in siti colpiti da calamità naturali.

“Le celle solari organiche possono fare molte cose che le celle inorganiche non possono fare”, spiega il dott. Alexander Gillett del Cavendish Laboratory di Cambridge. “Tuttavia il loro sviluppo commerciale si è stabilizzato negli ultimi anni e, in parte, la causa è della loro inferiore efficienza”. Se, infatti, le tradizionali unità in silicio oggi superano facilmente il 20%, il corrispettivo organico  tocca appena il 19% in condizioni di laboratorio, mentre nel mondo reale la resa si abbassa al 10-12%. Gillett e colleghi hanno voluto vederci chiaro su questa difficoltà prestazionale cercando di identificare un modo per superare il gap. 

I punti deboli del fotovoltaico organico

Una ragione chiave di questa differenza è che le celle solari organiche hanno basse tensioni a circuito aperto, a causa della cosiddetta “ricombinazione non radiativa“. 

Quando un fotone colpisce una cella solare, un elettrone viene eccitato dalla luce, lasciando un “buco” nella struttura elettronica del materiale. Se l’attrazione tra l’elettrone caricato negativamente e lacuna caricata positivamente può essere superata, è possibile raccogliere queste cariche come corrente elettrica. Tuttavia nei materiali fotovoltaici a base di carbonio l’attrazione tra l’elettrone e la sua lacuna è più forte che nel silicio e quindi più inclini a riunirsi (ricombinazione non radiativa).

Gli scienziati hanno scoperto che, progettando forti interazioni molecolari tra i materiali donatori di elettroni e quelli accettori, è possibile mantenere elettrone e lacuna più distanti e impedire la ricombinazione. La modellazione computazionale suggerisce che sintonizzando i componenti delle celle solari organiche in questo modo, i tempi di ricombinazione potrebbero essere ridotti di un ordine di grandezza, consentendo un funzionamento più efficiente.

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Ora, i chimici possono progettare la prossima generazione di materiali donatori e accettori con forti interazioni molecolari per sopprimere questo percorso di perdita”, ha affermato il coautore Thuc-Quyen Nguyen dell’Università della California a Santa Barbara. “Il lavoro mostra il percorso da seguire per ottenere una maggiore efficienza dei dispositivi”. Il team afferma che il proprio metodo fornisca una strategia chiara per ottenere celle solari organiche con efficienze del 20% o superiori. I risultati sono stati riportati sulla rivista Nature (testo in inglese).

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