Le celle solari organiche e l'orientamento della struttura cristallina

Un recente articolo sulla prestigiosa rivista Nature Photonics ha pubblicato uno studio della North Carolina State University e UNC-Chapel Hill in materia di efficienza energetica.

(Orientamento a fronte all'interno della cella solare organica)

Con efficienza energetica si intende la capacità di ogni singolo modulo di convertire l'energia solare in energia elettrica. Questa dipende da un grande numero di fattori, che possono andare dal micro-ambiente della cella stessa, ovvero la struttura interna o la composizione del materiale, fino a parametri più vasti come l'orientamento dei pannelli, la zona stessa del posizionamento o la tecnologia. Lo studio condotto dall'università ha come obbiettivo quello di andare ad indagare la conformazione della struttura dei pannelli, o meglio, l'orientamento che a livello molecolare si deve andare a cambiare.

Lo studio dimostra che l'efficienza energetica può notevolmente migliorare se le molecole interne al composto del materiale di allineassero di fronte piuttosto che di taglio. Questa scoperta, oltre che a migliorare l'efficienza, potrebbe anche essere economicamente più sostenibile.

Nelle celle fotovoltaiche organiche l'efficienza energetica dipende dalla capacità e facilità con cui un eccitone può trovare un interfaccia di scambio fra il donatore e l'accettore delle molecole all'interno della cellula fotovoltaica.

(Processo di trasferimento dell'energia)

L'eccitone è una quasiparticella (ovvero un particolare stato fisico di più particelle interagenti, nello specifico è lo stato legato di un elettrone e una lacuna) che descrive lo stato eccitato di un solido, ovvero il passaggio di quanti di energia attraverso la materia a seguito di una stimolazione. Questo significa che il compito di un eccitone è quello di riempire il più possibile gli spazi interstiziali a livello intramolecolare, producendo energia di legame similmente a quanto accade negli atomi di idrogeno.

L'accettore (sottinteso di elettroni) è una specie chimica in grado di accettare elettroni trasferiti da un'altra specie chimica durante una reazione mentre il donatore, contrariamente al primo, è in grado di donare gli elettroni. In questo caso si dicono riducenti e vengono ossidati dal processo di trasferimento, mentre gli accettori sono agenti ossidanti perché vengono ridotti.

(Celle solari organiche)

Come anticipato, è l'interfaccia fra i due la parte fondamentale dell'intero processo perché è in questa zona che l'energia dell'eccitone viene convertita in cariche che viaggiano verso gli elettrodi, creando potenza. Il problema di questo processo è che spesso di verificano variazioni nelle dimensioni delle particelle e nella purezza dei quanti di energia trasferita.

Ma il problema più grande è che accettore e donatore hanno forme diverse quindi il loro orientamento verso l'interfaccia è determinante per la qualità, più che per la quantità, dell'energia prodotta e trasferita. Questo è il punto cardine dell'intera ricerca della North Carolina State University e UNC-Chapel Hill.

Gli studi sono stati condotti per mezzo di raggi X che vanno ad eccitare forzatamente il passaggio dei quanti al fine di determinare quali aspetti delle strutture hanno il maggior impatto sull'efficienza. L'esperimento è stato effettuato su diverse tipologie di polimeri organici, ovvero delle macromolecole costituite da un gran numero di unità molecolari di base uguali o diverse in composizione chimica e unite per mezzo di legami di vario genere.

(Elaborazione fotonica della trasmissione)

La conclusione è stata che un orientamento di fronte piuttosto che di taglio è in grado di inibire maggiormente tutte le disfunzioni che si vengono a formare nei passaggi di energia, come la ricombinazione delle molecole o la perdita di carica, favorendo, invece, interazioni proficue per il trasferimento delle cariche stesse.