Efficienza da record per le celle solari interamente organiche!
Mentre i pannelli solari convenzionali generano rifiuti problematici, le celle solari a base di carbonio promettono un'alternativa ecologica
Con il proseguimento degli sforzi globali per combattere il cambiamento climatico, la domanda di energia solare è in crescita. Tuttavia, poiché i pannelli solari a base di silicio attualmente più utilizzati contengono una serie di sostanze pericolose, il loro smaltimento o riciclaggio provoca un impatto ambientale e richiede costi notevoli. Lo stesso problema è applicabile alle celle solari a film di nuova generazione, come le celle solari a base di perovskite, poiché anch'esse contengono materiali potenzialmente pericolosi come composti di piombo e ossidi metallici. Per evitare questi problemi di smaltimento e rivelare una fonte di energia ecologica, gli scienziati hanno cercato celle solari a film composte interamente da materiali a base di carbonio (celle solari interamente organiche). Senza metalli pericolosi, possono essere incenerite in modo sicuro come le normali plastiche, riducendo in modo significativo l'impatto ambientale e i costi di smaltimento. Nonostante questi vantaggi, le celle solari completamente organiche raggiungono attualmente un'efficienza di conversione di potenza (PCE) molto bassa, pari al massimo al 4%, molto inferiore a quella delle celle solari al silicio convenzionali (>27%) e delle celle solari alla perovskite (>26%). Pertanto, si attendono intensi progressi tecnologici per le celle solari completamente organiche ad alte prestazioni.
Masahiro Nakano, professore associato dell'Istituto di Scienza e Ingegneria della Facoltà di Chimica dell'Università di Kanazawa, ha collaborato con gli scienziati di REIKO Co. Ltd. (presidente Junichi Iwai) e della Queen's University di Kingston, in Canada, e ora ha sviluppato con successo celle solari completamente organiche con la più alta efficienza al mondo. Mentre le prestazioni delle precedenti celle solari completamente organiche erano limitate a circa il 4% di PCE, le celle di nuova concezione raggiungono un'efficienza più che doppia rispetto a quelle precedenti.
In precedenza, due problemi principali avevano ostacolato le prestazioni delle celle solari completamente organiche. In primo luogo, la disponibilità di materiali elettrodici organici trasparenti altamente conduttivi adatti alle celle solari a film è limitata. Sono stati segnalati alcuni materiali organici ad alta conduttività, ma la loro preparazione richiedeva acidi forti, basi o ricottura ad alta temperatura (>150°C), che potevano danneggiare i film di substrato organico e gli strati semiconduttori organici. Per superare questo problema, il team di ricerca ha sviluppato un elettrodo trasparente basato sul polimero conduttivo PEDOT:PSS. L'elettrodo a base di PEDOT:PSS può essere fabbricato a una temperatura inferiore (80°C) senza l'uso di acidi o basi e dimostra una conduttività sufficiente (resistenza di foglio: <70 Ω/mq) per le celle solari a film.
Il secondo problema è la difficoltà di impilare più strati in un dispositivo a celle solari a film senza danneggiare gli strati sottostanti. Nei processi di soluzione, gli inchiostri dello strato superiore potrebbero danneggiare gli strati inferiori. Per risolvere questo problema, hanno sviluppato il "metodo di laminazione degli elettrodi di nanotubi di carbonio". Questa tecnica prevede la formazione di elettrodi separatamente sui film barriera delle celle solari e poi il loro fissaggio al dispositivo, evitando di danneggiare i film organici inferiori durante la fabbricazione degli elettrodi. Combinando il nuovo elettrodo organico trasparente e il metodo di fabbricazione, il team di ricerca è riuscito a sviluppare celle solari interamente organiche con un'efficienza di conversione della potenza più che doppia (8,7%) rispetto ai modelli precedenti (4,0%). Questo progresso rappresenta un passo fondamentale verso l'applicazione pratica delle celle solari completamente organiche ad alte prestazioni.
In prospettiva, le celle solari completamente organiche sono molto promettenti per le applicazioni in aree sensibili dal punto di vista ambientale, come i terreni agricoli e i dispositivi indossabili. La loro natura leggera e flessibile consente inoltre l'installazione in luoghi in cui i pannelli solari convenzionali non sarebbero praticabili. Il team di ricerca mira a migliorare ulteriormente le prestazioni migliorando la conduttività degli elettrodi organici.
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Pubblicazione originale
Keiju Hashida, Akihiro Konishi, Hiroyuki Itaya, Kenji Takahashi, Md. Shahiduzzaman, Makoto Karakawa, Tetsuya Taima, Tatsuya Arashitani, Kimio Kawai, Ryo Nishiyama, Kohshin Takahashi, Jean‐Michel Nunzi, Masahiro Nakano; "Unlocking High‐Performance in All‐Organic Solar Cells by the Development of Organic Electrodes with No Acid and High‐Temperature Treatment and the Effective Preparation Thereof on Organic Multilayer Films"; Advanced Functional Materials, 2025-2-7
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