Una svolta sui materiali per celle solari stampabili

I dispositivi fotovoltaici basati su materiali organici possono essere fabbricati con processi relativamente semplici e sono molto studiati nei laboratori universitari e industriali per le buone possibilità di innescare la produzione di massa di dispositivi economici e flessibili.  Le celle fotovoltaiche organiche sono meno efficienti rispetto a quelle al silicio, ma molto più economiche da produrre. I materiali organici – i polimeri oppure le cosiddette “piccole molecole” costituite da composti organici di basso peso molecolare - possono essere preparati sotto forma di inchiostri e “stampati” su ampie superfici, sono leggeri e flessibili e questo li rende promettenti per molte applicazioni.

Fino ad ora la maggior parte delle attività di ricerca era stata focalizzata sullo sviluppo di nuovi materiali polimerici. Tuttavia, per una data struttura polimerica le variazioni di produzione da partita a partita nella solubilità, nel peso molecolare, nella polidispersità e purezza possono portare a differenti proprietà e prestazioni. Al contrario, gli strati fotovoltaici ottenuti con “molecole piccole” possono avere ben definite caratteristiche, ottenute attraverso protocolli di fabbricazione più riproducibili.

Ricercatori dell’Università della California, tra cui il premio Nobel per la chimica nel 2000 per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttori, Alan J. Heeger, hanno sviluppato un nuovo materiale organico del tipo a “piccola molecola” (Solution-processed small-molecule solar cells with 6.7% efficiency, Nature Materials Letter). I ricercatori hanno iniziato con l’ottimizzare le proprietà elettriche, così che la molecola fosse in grado di sopportare le elevate correnti e tensioni necessarie per tirar fuori potenza elettrica da una cella solare. Particolarmente delicata è stata la messa a punto di un tipo di molecola con cui poter realizzare film sottili di buona qualità: infatti, mentre i polimeri sono lunghi e si avviluppano facilmente per dare luogo a una pellicola stabile, con le molecole piccole si incontrano maggiori difficoltà. Con la nuova molecola disegnata è stata costruita una cella che converte il 6,7% della luce incidente e i ricercatori ritengono si poter raggiungere il 9% entro il prossimo anno.

Secondo Pasquale Morvillo, del Centro ENEA di Portici, esperto di celle solari organiche, l'articolo di Heeger rappresenta un’innovazione di processo, perché nelle celle organiche basate su piccole molecole, lo strato attivo è normalmente realizzato tramite processi di evaporazione in vuoto che non sono economici e non permettono alte rese di produzione, in particolare non consentono la produzione tramite processi di stampa in continuo. L'utilizzo di piccole molecole processabili in soluzione estende la classe di materiali organici potenzialmente idonei a migliorare tali dispositivi.

Anche nel Centro ENEA di Portici sono in corso attività di ricerca sulle celle fotovoltaiche organiche; in particolare le attività sono incentrate nello studio e nella valutazione attraverso idonei modelli matematici, di nuovi materiali, così come nel miglioramento dell'architettura dei dispositivi e nella messa a punto di tecnologie di stampa. Il migliore risultato ottenuto in termini di efficienza di conversione (4%) è in linea con quelli riportati in letteratura utilizzando gli stessi materiali (miscela di politiofene e fullerene).

(Antonino Dattola)