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Seconda parte dello speciale dedicato alle celle solari polimeriche: in questo articolo studieremo la composizione di una solar cell ed i principi del suo funzionamento, dando un’occhiata ai materiali necessari per costruirne una!

Nel precedente articolo abbiamo dato un’occhiata alle energie rinnovabili, distinto le tre generazioni di celle solari e, per finire, abbiamo capito che le celle solari polimeriche potrebbero potenzialmente essere vantaggiose per costi, velocità di produzione e processabilità. Il problema di queste celle riguarda l’efficienza e la stabilità, non paragonabile (al momento) alle celle solari di prima generazione. # energia solare

Geometria delle celle solari

Per prima cosa, studiamo la composizione di una cella solare polimerica. La composizione a strati, mostrata nella figura sottostante, è ottenuta mediante tecniche di coating o printing, le quali rendono il processo di costruzione di una solar cell veloce ed efficace.

I vari livelli di una cella solare polimerica.

Il fulcro della cella solare è l’active layer, ossia lo strato che assorbe i fotoni e genera le cariche positive (holes) e negative (elettroni). Questo è circondato da due strati: ETL e HTL, importanti per trasportare gli elettroni e gli holes agli elettrodi. Questi ultimi, invece, servono per estrarre le cariche dalla solar cell.

La luce, ovviamente, deve attraversare il substrato ed almeno uno dei due elettrodi (che deve essere trasparente), per finire nell’active layer. Esistono due geometrie tipiche delle solar cell, la normal geometry e la inverted geometry. La prima consiste nell’avere l’elettrodo positivo subito dopo il substrato, per cui è lui a dover essere trasparente; la seconda esattamente al contrario. Nella inverted geometry si ha dunque una serie di strati del tipo: substrato, elettrodo negativo, ETL, active layer, HTL, elettrodo positivo. In questo caso, è chiaro che è l’elettrodo negativo a dover essere trasparente.

Assorbimento di luce

Il primo step del funzionamento di una cella solare è l’assorbimento della luce. L’active layer, come detto prima lo strato che assorbe la luce, è composto da semiconduttori organici con una determinata energia di band gap. In questa classe di materiali, essa è definita come la differenza di energia tra l’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia (LUMO) e quello occupato a più alta energia (HOMO).

L’energia della band gap per i semiconduttori è intermedia a quella dei metalli (conduttori) e degli isolanti.

Un semiconduttore è definito tale quando quest’energia di band gap è maggiore dell’energia termica disponibile a temperature intorno a quell’ambiente. Ciò vuol dire che la sola energia termica non riesce a far eccitare gli elettroni da uno stato all’altro, per cui il materiale non conduce. # energia solare

Quando arriva un fotone con energia maggiore di quella di band gap, un elettrone viene eccitato dallo stato HOMO allo stato LUMO, creando una buca, in inglese hole. Nel momento in cui l’energia del fotone riesce a far eccitare l’elettrone ad un livello energetico superiore al LUMO, l’elettrone si rilasserà rapidamente tornando al LUMO e l’energia in eccesso sarà persa come calore.

(a) Un semiconduttore organico possiede una certa energia di band gap. (b) Quando assorbe la luce, un elettrone passa dal livello HOMO al LUMO, creando una buca. (c) Se l’elettrone va ad un livello energetico superiore al LUMO, vi è una perdita di energia come sotto forma di calore. # energia solare

Separazione di carica

Una volta avvenuto l’assorbimento di luce, l’elettrone eccitato e la buca (hole) formano un eccitone, ossia una coppia electron-hole tenuta insieme da forze coulombiane. Ora, affinché si generi elettricità, è necessario separare le cariche, e questo avviene nuovamente nell’active layer grazie ad un secondo composto organico.

Questo secondo composto organico, definito come accettore, possiede un livello energetico del LUMO più basso ed ha la capacità di accettare l’elettrone della coppia electron-hole. Di conseguenza, il primo composto – che permette l’assorbimento di luce e che dona l’elettrone – è definito donatore.

Solitamente, il materiale donatore è un polimero coniugato, mentre l’accettore è una molecola basata sul fullerene C60. In questo caso, il polimero coniugato assorbe la gran maggioranza della luce, per cui è lui che genera le coppie electron-hole, mentre l’accettore serve soltanto a separare la carica. # energia solare

La morfologia dell’active layer

Una volta creato l’eccitone, dopo l’assorbimento di luce, è necessario separare rapidamente le cariche, in quanto questa quasi particella (l’eccitone) ha un tempo di vita molto breve e la coppia electron-hole tende a ricombinarsi rapidamente. La distanza tra l’accettore ed il donatore, di conseguenza, deve essere molto piccola, nell’ordine dei 5-10 nanometri, affinché avvenga la separazione di carica. # energia solare

Bulk heterojunction

Diventa, dunque, importante la morfologia dell’active layer. Formare due strati, uno di donatore ed uno di accettore, non sarebbe convieniente, poiché non si riuscirebbero a convertire completamente i fotoni. La morfologia più adatta è, incredibilmente, la più semplice da ottenere. L’accettore ed il donatore, infatti, si sciolgono nello stesso solvente e si mescolano. Dopo l’evaporazione del solvente, le due fasi si saranno mescolate in un modo ideale. Questa configurazione si chiama bulk heterojunction (BHJ).

Successivamente alla separazione, le cariche viaggeranno nei rispettivi transport layer verso gli elettrodi, il cui ruolo è raccogliere le cariche per la produzione di energia elettrica.

I materiali delle celle polimeriche

PEDOT:PSS

Una volta compresi i principi fondamentali del funzionamento delle polymer solar cell, è il momento di guardare a cosa ci serve per costruirne una. Il substrato è di vetro o di plastica. La prima è una scelta più comune nella costruzione di solar cell da laboratorio, la seconda è più efficace in una produzione in massa.

Per quanto riguarda gli elettrodi, uno dei più comuni è l’ITO (indium tin oxide), sebbene possegga indio, un materiale non proprio abbondante. Un’interessante alternativa è rappresentata dal PEDOT:PSS, un polimero che attraverso drogaggio può diventare un ottimo semiconduttore e che, soprattutto, permette di ottenere una solar cell più flessibile.

Passando ai transport layer, per il trasporto delle buche è possibile utilizzare l’ossido di molibdeno oppure, di nuovo, PEDOT:PSS. Per il trasporto di elettroni, invece, più comune è utilizzare ZnO, TiO, Ca oppure LiF.

P3HT, utilizzato nell’active layer come donatore

La parte più importante delle solar cell, l’active layer, è invece composto da due materiali organici. Un donatore molto comune è il P3HT, mostrato in figura. L’efficienza di celle che contengono questo polimero si aggira intorno al 4-5%. Il suo principale problema sta nel fatto che la sua banda di assorbimento non si sovrappone in modo ottimale con lo spettro della luce solare, per cui i ricercatori hanno studiato anche altre soluzioni, quali i polimeri con una bassa band gap capaci di assorbire in una più larga parte dello spettro solare. Per quanto riguarda l’accettore, si utilizzano spesso derivati del fullerene solubili in solventi organici. Il più utilizzato è mostrato in figura e prende il nome di PC61BM. Il fattore solubilità è importante al fine di creare la bulk heterojunction e soprattutto perché è preferibile processare tutto da soluzione.

PC61BM, un accettore

Nel prossimo articolo entreremo nel dettaglio della stabilità e degradazione delle celle solari polimeriche. Inoltre, daremo un’occhiata a come vengono prodotte attraverso tecniche di coating e printing.

Restate sintonizzati su Il Positivismo! # energia solare

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