Sarti molecolari cuciono fiocchi di neve su scala nanometrica per creare celle solari più efficienti

Quando le molecole di un certo composto – la tetracina – sono disposte a forma di nano-fiocco di neve, la cosiddetta fissione singoletto – un processo che consente di ottenere fino a due elettroni da un fotone – è stata dimostrata da scienziati polacchi e taiwanesi. Sperano che la loro ricerca possa contribuire a migliorare l’efficienza dei pannelli solari.

La ricerca è stata condotta sotto la supervisione del Dott. Przemysław Gaula dell'Istituto di Chimica Organica dell'Accademia Polacca delle Scienze. Primo autore della ricerca – Pubblicato sulla prestigiosa rivista Angewandte Chemie – Lui è il Dr. Maciej Majdecki dell'IChO PAN. È un fotografo amatoriale e nei suoi profili online di tutto rispetto (luminescente_chimica) mostra la bellezza delle reazioni chimiche e dei composti fluorescenti. Lo scienziato, grazie alla straordinaria illuminazione ultravioletta, è solito mostrare quanto sia bello il lavoro del chimico. Le immagini hanno immortalato anche la sua ricerca sui composti che potrebbero migliorare le prestazioni dei pannelli solari.

Foto: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

Non è il collegamento più forte

“Attualmente l’efficienza teorica massima del fotovoltaico potrebbe essere del 33%”. – ha informato il Dott. Maciej Majdecki in un'intervista al PAP. Quindi ogni terzo fotone che colpisce una cella solare provoca il rilascio di un elettrone (da qui proviene la corrente). Sfortunatamente, molti dei fotoni che raggiungono il pannello vengono convertiti in calore, che non viene utilizzato nei pannelli, riducendone l’efficienza e la durata. La stragrande maggioranza dell’energia solare non viene utilizzata. Compassione!

Un fotone e due elettroni

La speranza di aumentare l’efficienza delle celle è utilizzare processi che convertano la luce in elettricità in modo più efficiente. Questi includono quella che viene chiamata fissione della camicia. In questo processo, se un singolo fotone colpisce una particolare struttura, può produrre fino a due elettroni. “Ciò significa che l’efficienza di questo processo raggiunge il 200%”. – spiega il dottor Majdiki.

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Fonte: Dott.  Maciej Mjedecki
Foto: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

Il vantaggio della divisione singoletto è che può essere utilizzato nei pannelli a base di silicio attualmente ampiamente utilizzati. Questo processo avverrà in uno dei tanti strati della cella di silicio. “La ricerca dimostra che sarà possibile aumentare l'efficienza massima delle cellule fino al 45%. C'è qualcosa a cui aspirare”, conclude il Dr. Majdecki.

Lo scienziato aggiunge che questo è un argomento di ricerca abbastanza nuovo. Fino ad ora, le molecole di un particolare composto organico – il pentacene (che si trova nel catrame ed è costituito da cinque anelli di carbonio collegati linearmente – le molecole di benzene) sono state utilizzate con entusiasmo nelle reazioni di fissione a filamento singolo.

“Il pentacene è ottimo per la fissione singleton, ma sfortunatamente l'energia degli elettroni creati lì non è in grado di far fronte ai livelli energetici dei semiconduttori di silicio – l'elemento base delle cellule. Gli scienziati stanno cercando altre molecole che funzionerebbero meglio con il silicio”, commenta Dottor Majdiki.

Senza tetracine

La ricerca condotta dal team del Dr. Gawł dell'IChO PAN riguarda la tetracina. È un “cugino più giovane” del pentacene, un idrocarburo costituito da quattro anelli benzenici. Questo composto (polvere arancione economica) funziona molto meglio perché i frammenti di energia in esso rilasciati si adattano perfettamente alle proprietà del silicio.

“La nostra pubblicazione mostra che con questo composto, la cui singola molecola non esegue la fissione singola, è possibile ottenere il massimo in termini di conversione da luce a energia. Tuttavia, ciò richiede l'uso di una precisa personalizzazione molecolare e la preparazione di un oligomero opportunamente strutturato da questo composto.”

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Un oligomero è una struttura più piccola di un polimero – una molecola composta da più parti (sei al massimo) – monomeri.

Poteri stellari

I chimici hanno utilizzato un “recipiente molecolare” per organizzare i monomeri tetracineschi in fiocchi di neve su scala nanometrica. Grazie alla corretta disposizione delle molecole negli oligomeri, è stato possibile aumentare gradualmente l'efficienza di scissione del singoletto della tetracina da circa il 50 al 200%.

Quindi, se un fiocco di neve “a due bracci” del tetracene aveva bisogno di due fotoni per ottenere un elettrone, un fiocco di neve a sei bracci che utilizzava un fotone era effettivamente in grado di rilasciare due elettroni (con energia coerente con il silicio), il che è il massimo possibile. I processi che hanno luogo nei bracci successivi dell'oligomero erano accoppiati e si rinforzavano a vicenda.

È interessante notare che nel fiocco di neve su scala nanometrica le molecole di tetracina sono separate. Il nucleo centrale li mantiene vicini, ma non direttamente collegati.

I metodi e i composti utilizzati dai chimici per produrre fiocchi di neve di idrocarburi interessano già gli scienziati che lavorano su altri fenomeni che aumentano l'efficienza delle celle fotovoltaiche.

Piccolo ma…

Pertanto l’efficienza della fissione singola e le frazioni energetiche ottenute nelle stelle del tetracene sono elevate e il processo di produzione dei nano-fiocchi di neve può essere economico. Tuttavia, la stabilità della tetracina rappresenta ancora un problema, perché purtroppo la luce ha un effetto distruttivo su questo composto. Il dottor Majdecki ricorda di non aver nemmeno provato a fotografare i nanofiocchi di tetrasene, perché sotto l'influenza dei raggi ultravioletti si deteriorano rapidamente.

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Fonte: Dott.  Maciej Mjedecki
Foto: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

Il deterioramento sotto l'influenza della luce non è una proprietà desiderabile nei materiali che saranno costantemente esposti alla luce solare. “Tuttavia, facciamo fatica a superare questo problema e ad avere una relazione stabile”, commenta il dottor Majdiki.

Un altro problema è che finora le proprietà delle stelle del tetracene – poiché sono più semplici – sono state studiate solo in soluzione. Tuttavia, ci sono prove che queste proprietà saranno molto migliori nei solidi che nelle soluzioni. Tuttavia, il team dell'IChO PAN non è in grado di indagare su questo aspetto: è necessario un altro team per testare l'idea dei chimici in un dispositivo prototipo.

“Questo è spesso un problema per noi. “Progettiamo e produciamo molecole con proprietà davvero insolite, ma l'industria polacca non è interessata ai risultati del nostro lavoro e il nostro lavoro non ha alcuna applicazione”, sospira il dottor Majdecki.

La scienza in Polonia, Ludwik Tomal

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