Nuova scoperta sul fotovoltaico organico: funzionamento

Un gruppo di ricerca dell’Hong Kong Institute for Clean Energy presso CityU ha pubblicato gli esiti di una nuova scoperta sul fotovoltaico organico.
Il fotovoltaico organico (OPV) è una tecnologia di celle solari promettente, economica e di nuova generazione per l’energia pulita.

Cella OPV

Una cella OPV è un tipo di cella solare in cui lo strato assorbente è basato su semiconduttori organici (OSC), costituiti, in genere, da polimeri.
Affinché i materiali organici diventino conduttori o semiconduttori, è necessario un alto livello di coniugazione.

La coniugazione della molecola organica provoca la delocalizzazione degli elettroni presenti nei doppi legami.

Questi elettroni hanno energie più elevate rispetto ad altri elettroni nella molecola e sono equivalenti agli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori inorganici.
Tuttavia, nei materiali organici, questi elettroni non occupano una banda di valenza ma si trovano nell’orbitale molecolare occupato a più alta energia (HOMO)

Proprio come nei semiconduttori inorganici, ci sono livelli di energia non occupati a energie più elevate.

Nei materiali organici, il primo è l’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia (LUMO). Tra l’orbitale molecolare più occupato (HOMO) e l’orbitale molecolare non occupato più basso (LUMO) c’è un gap energetico. Con l’aumento della coniugazione, il band gap diventerà abbastanza piccolo da consentire alla luce visibile di eccitare un elettrone da HOMO a LUMO che sono i cosiddetti orbitali di frontiera.

Funzionamento del fotovoltaico organico

La conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene quando l’energia della luce è uguale o maggiore del band gap.

Si verifica il passaggio dall’HOMO al LUMO di un elettrone che lascia dietro di sé uno spazio caricato positivamente noto come “buco”.

Le cariche opposte della lacuna e dell’elettrone, si  attraggono  formando una coppia elettrone-lacuna, nota anche come eccitone.

Per rimuovere le particelle cariche dalla cella solare, la coppia elettrone-lacuna deve essere separata e questo processo è noto come dissociazione dell’eccitone.

In un semiconduttore tradizionale l’attrazione elettrone-lacuna è superata dall’energia termica a temperatura ambiente in quanto a un basso valore. Ciò si deve all’elevata costante dielettrica che provoca una elevata schermatura tra elettrone e lacuna e riduce l’attrazione tra loro

Nei semiconduttori organici a causa della bassa costante dielettrica la schermatura è piccola e l’attrazione elettrone-lacuna è elevata. Per ovviare a questo problema, sono necessari almeno due diversi semiconduttori organici all’interno di un OPV. Tuttavia se i portatori di carica non sono raccolti dagli elettrodi e si incontrano di nuovo all’interfaccia donatore-accettore, possono ricombinarsi per formare un eccitone di spin-tripletto che ritorna allo stato fondamentale, causando perdita di energia

La scoperta

La scoperta di cui non sono spiegati i dettagli perché in attesa di brevetto prevede la sostituzione dell’attuale cella a eterogiunzione con un altro tipo di giunzione in modo da ridurre l’interfaccia donatore-accettore all’interno dello strato attivo.

In tal modo si sopprime la ricombinazione dei portatori di carica. Ciò consente una maggiore efficienza che diventa così paragonabile a quella del fotovoltaico inorganico. Con questa nuova scoperta sul fotovoltaico organico, infatti, si passa da un’efficienza del 10 a una del 19%. La maggior durata, i minori costi di produzione, la leggerezza, la flessibilità, il basso impatto ambientale e la maggior efficienza dovuta a questa scoperta potrebbero portare a dispositivi portatili. Non è quindi lontano il futuro in cui cellulari e tablet potranno essere ricaricati da questo tipo di celle

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