Ilaria Rosella Pagliaro I ricercatori dell'Università del Kansas hanno rivoluzionato la comprensione dei semiconduttori organici, promettendo celle solari più efficienti e versatili
@ Dennis Schroeder / NREL – Wikimedia Commons
Per anni, il silicio ha dominato il settore dell’energia solare grazie alla sua efficienza e durabilità, diventando il materiale preferito per i pannelli fotovoltaici. Tuttavia, le celle solari in silicio sono rigide e costose da produrre, limitandone l’applicabilità su superfici curve. Senza contare gli alti costi anche sociali ed etici della sua estrazione. I ricercatori dell’Università del Kansas hanno compiuto un importante passo avanti nella comprensione dei semiconduttori organici, aprendo la strada a celle solari più efficienti e versatili.
I semiconduttori organici, materiali a base di carbonio, offrono un’alternativa valida a costi inferiori e con una maggiore flessibilità, come spiegato da Wai-Lun Chan, professore associato di fisica e astronomia all’Università del Kansas:
Possono potenzialmente ridurre i costi di produzione dei pannelli solari, poiché questi materiali possono essere applicati su superfici arbitrarie usando metodi a soluzione, proprio come si dipinge un muro.
Oltre ai risparmi economici, i semiconduttori organici possono essere adattati per assorbire specifiche lunghezze d’onda della luce, aprendo a numerose nuove possibilità, come dei pannelli solari trasparenti e colorati integrati perfettamente nei progetti architettonici. Queste caratteristiche rendono i pannelli solari organici particolarmente adatti per edifici verdi e sostenibili di nuova generazione.
Nonostante questi vantaggi, le celle solari organiche hanno sempre avuto difficoltà a raggiungere l’efficienza delle loro controparti in silicio. Mentre i pannelli in silicio possono convertire fino al 25% della luce solare in elettricità, le celle organiche si sono fermate attorno al 12%. Questo divario ha rappresentato un ostacolo significativo per una loro adozione su larga scala.
Il segreto dell’efficienza
Recenti sviluppi hanno riacceso l’entusiasmo attorno ai semiconduttori organici. Una nuova classe di materiali, chiamati accettori non fullerene (NFA), ha portato l’efficienza delle celle solari organiche vicino al 20%, riducendo il divario con il silicio.
Il team di ricerca del Kansas si è dedicato a comprendere perché gli NFA performano meglio rispetto ad altri semiconduttori organici. La loro indagine ha portato a una scoperta sorprendente: in determinate circostanze, gli elettroni eccitati negli NFA possono acquisire energia dall’ambiente anziché perderla. Secondo Chan, questa scoperta sfida la saggezza convenzionale:
Questa osservazione è controintuitiva perché gli elettroni eccitati tipicamente perdono la loro energia nell’ambiente, come una tazza di caffè caldo che perde calore nell’aria circostante.
Un alleato inaspettato
Guidati dallo studente laureato Kushal Rijal, il team ha sperimentato una tecnica sofisticata chiamata spettroscopia fotoemissione a due fotoni risolta nel tempo. Questo metodo ha permesso loro di tracciare l’energia degli elettroni eccitati in tempi inferiori a un trilionesimo di secondo.
I ricercatori ritengono che questo insolito guadagno energetico derivi da una combinazione di meccanica quantistica e termodinamica. A livello quantico, gli elettroni eccitati possono sembrare esistere simultaneamente su più molecole.
Unito alla seconda legge della termodinamica, questo comportamento quantistico inverte la direzione del flusso di calore, come illustra Rijal:
Per le molecole organiche disposte in una specifica struttura nanoscopica, la direzione tipica del flusso di calore è invertita per aumentare l’entropia totale. Questo flusso di calore invertito permette agli eccitoni neutri di guadagnare calore dall’ambiente e dissociarsi in una coppia di cariche positive e negative. Queste cariche libere possono quindi produrre corrente elettrica.
Oltre a migliorare le celle solari, il team crede che le loro scoperte – pubblicate sulla rivista Advanced Materials – possano essere applicate in altri settori della ricerca sulle energie rinnovabili. Rijal crede che il meccanismo scoperto porterà a fotocatalizzatori più efficienti per convertire l’anidride carbonica in combustibili organici:
Nonostante l’entropia sia un concetto ben noto in fisica e chimica, è stato raramente utilizzato attivamente per migliorare le prestazioni dei dispositivi di conversione energetica.
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Fonte: Advanced Materials
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