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Jul 09, 2023

La scienza dietro le celle solari polimeriche: come funzionano e perché sono importanti

La ricerca di fonti energetiche rinnovabili è stata per decenni una priorità per scienziati e ingegneri. Mentre il mondo continua a fare i conti con gli effetti del cambiamento climatico e dell’esaurimento dei fossili

La ricerca di fonti energetiche rinnovabili è stata per decenni una priorità per scienziati e ingegneri. Mentre il mondo continua a fare i conti con gli effetti del cambiamento climatico e dell’esaurimento dei combustibili fossili, la necessità di soluzioni energetiche sostenibili ed efficienti diventa sempre più urgente. Una tecnologia promettente emersa negli ultimi anni è la cella solare polimerica. Questo approccio innovativo all’energia solare sfrutta l’energia del sole utilizzando materiali organici, offrendo un’alternativa potenzialmente più conveniente ed ecologica alle tradizionali celle solari a base di silicio.

Le celle solari polimeriche, note anche come fotovoltaico organico (OPV), sono composte da molecole organiche o polimeri che assorbono la luce solare e la convertono in elettricità. Questi materiali organici presentano numerosi vantaggi rispetto alle loro controparti inorganiche, come il silicio. Innanzitutto, sono leggeri e flessibili, il che li rende ideali per applicazioni in cui peso e adattabilità sono cruciali, come nell’elettronica indossabile o nel fotovoltaico integrato negli edifici. Inoltre, il processo di produzione delle celle solari polimeriche è più rispettoso dell’ambiente, poiché richiede meno energia e genera meno sottoprodotti tossici rispetto alla produzione di celle solari al silicio.

La scienza alla base delle celle solari polimeriche affonda le sue radici nelle proprietà uniche dei materiali organici. Quando la luce solare colpisce la superficie di una cella solare polimerica, l'energia dei fotoni viene assorbita dalle molecole organiche, provocando l'eccitazione degli elettroni e il salto a un livello energetico più elevato. Questo processo crea una coppia di particelle cariche note come eccitone, che consiste in un elettrone carico negativamente e una lacuna carica positiva. L'eccitone si diffonde quindi attraverso il materiale fino a raggiungere l'interfaccia tra il polimero donatore di elettroni e il materiale che accetta elettroni, dove l'elettrone viene trasferito all'accettore, lasciando la lacuna nel donatore.

Questa separazione delle cariche crea un campo elettrico che spinge gli elettroni e le lacune verso i rispettivi elettrodi. Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno verso l'elettrodo positivo, generando una corrente elettrica, mentre le lacune si muovono verso l'elettrodo negativo. L'efficienza di una cella solare polimerica dipende da diversi fattori, tra cui la capacità dei materiali organici di assorbire la luce solare, l'efficienza della diffusione degli eccitoni e della separazione delle cariche e la capacità degli elettrodi di raccogliere le cariche.

Una delle sfide principali nello sviluppo di celle solari polimeriche ad alte prestazioni è trovare la giusta combinazione di materiali in grado di assorbire in modo efficiente la luce solare e le cariche di trasporto. I ricercatori hanno compiuto progressi significativi negli ultimi anni, con l’efficienza delle celle solari polimeriche che è aumentata da appena l’1% all’inizio degli anni 2000 a oltre il 15% di oggi. Anche se questo valore è ancora inferiore all’efficienza delle celle solari al silicio, che può raggiungere il 25%, il divario si sta riducendo e il potenziale per ulteriori miglioramenti è promettente.

Lo sviluppo di celle solari polimeriche ha il potenziale per rivoluzionare il settore dell’energia solare. La loro natura leggera e flessibile li rende adatti a un'ampia gamma di applicazioni, dall'elettronica portatile alle installazioni su larga scala. Inoltre, il loro processo di produzione rispettoso dell’ambiente potrebbe contribuire a ridurre l’impronta di carbonio della generazione di energia solare. Man mano che i ricercatori continuano a perfezionare i materiali e le tecniche utilizzate nelle celle solari polimeriche, si prevede che la loro efficienza e il loro rapporto costo-efficacia miglioreranno, rendendole un'opzione sempre più attraente per soddisfare le crescenti esigenze energetiche del mondo.

In conclusione, la scienza alla base delle celle solari polimeriche è un campo affascinante e in rapida evoluzione, con il potenziale di trasformare il modo in cui sfruttiamo l’energia solare. Mentre continuiamo a cercare soluzioni energetiche sostenibili ed efficienti, lo sviluppo di celle solari polimeriche rappresenta un passo promettente verso un futuro più verde ed efficiente dal punto di vista energetico.