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NUOVI MATERIALI/ Volete migliorare le celle fotovoltaiche? Provate con i cristalli di rubrene

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È proprio questo l’argomento di un articolo (“Observation of long-range exciton diffusion in highly ordered organic semiconductors”) apparso recentemente sulla rivista Nature Materials. Ma che cosa sono gli eccitoni nei semiconduttori organici? Che cos’è più precisamente la loro lunghezza di diffusione e perché è rilevante per l’effetto fotovoltaico?

Ecco come funziona una cella solare organica. La luce solare viene assorbita da parte del materiale semiconduttore organico generando gli eccitoni, che sono coppie legate delle due cariche di segno opposto elettrone e lacuna; gli eccitoni migrano all’interfaccia tra semiconduttore ed elettrodi metallici, dove avviene la separazione delle due cariche che vengono poi raccolte, completando la conversione di energia luminosa del Sole in energia elettrica. I fattori determinanti nel processo fotovoltaico completo sono, quindi: l’assorbimento efficiente di luce in tutto lo spettro solare, che genera gli eccitoni; la migrazione degli eccitoni verso gli elettrodi; la separazione e il trasporto di carica.

Mentre l’assorbimento può essere migliorato scegliendo opportuni materiali o progettandone di nuovi, il trasporto di carica è limitato spesso dalla presenza di stati che intrappolano le cariche, impedendone quindi un’efficiente raccolta. Quanto alla migrazione degli eccitoni, che è un processo di diffusione, solitamente avviene per lunghezze di cammino nel materiale di 20÷50 nanometri (chiamato lunghezza di diffusione), oltre il quale le due cariche, legate appunto a formare l’eccitone, si ricombinano e l’eccitone stesso termina la propria vita.

Nell’articolo su Nature Materials si dimostra che in un semiconduttore organico di elevata qualità, nel caso specifico è un cristallo singolo di rubrene, la lunghezza di diffusione degli eccitoni raggiunge valori fino a 2÷8 micrometri, cioè cento volte maggiori rispetto a quelli solitamente osservati.



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