La cella solare organica interamente a piccole molecole processata con allylrhodanine raggiunge un progresso nell’efficienza del 18,43%

Cellule solari più intelligenti per l’uso quotidiano

I pannelli solari compaiono su tetti, zaini e persino finestre, ma molti restano pesanti, rigidi e costosi da produrre. Questo studio esplora un tipo diverso di tecnologia solare costruita da piccole molecole organiche che possono essere stampate come l’inchiostro di un giornale su fogli sottili e flessibili. Regolando con cura il modo in cui queste molecole si organizzano durante l’asciugatura, i ricercatori portano un promettente tipo di cella solare organica a un’efficienza da record, avvicinando la possibilità di energia solare ultraleggera e pieghevole alla realtà pratica.

Perché è difficile perfezionare i pannelli solari flessibili

A differenza dei pannelli in silicio sulla maggior parte dei tetti, le celle solari organiche usano molecole a base di carbonio disciolte in un liquido e stese in un film sottile. Le versioni interamente a piccole molecole offrono grandi vantaggi per la produzione di massa: la loro struttura è ben definita, possono essere facilmente purificate e si comportano in modo coerente da lotto a lotto. Ma c’è un problema. Queste piccole molecole tendono a cristallizzare fortemente e a separarsi in grandi “isole” all’interno del film. Poiché le cariche elettriche generate dalla luce possono spostarsi solo per una breve distanza prima di scomparire, isole eccessivamente grandi implicano che molte cariche non raggiungono gli elettrodi, limitando la corrente e l’efficienza complessiva.

Entra in gioco una piccola molecola helper

Il team affronta questo problema aggiungendo una quantità minima di un composto ausiliario chiamato 3-allylrhodanine a una miscela di una molecola donatrice (MPhS-C2) e di una accettrice (N3). Questo ausiliario è un “additivo solido volatile”: si unisce temporaneamente alla miscela durante il coating e poi evapora completamente durante un breve passaggio di riscaldamento, senza lasciare residui nel dispositivo finito. Sebbene la sua struttura ricordi parte del donatore, calcoli dettagliati al computer e esperimenti di risonanza magnetica nucleare mostrano che in realtà preferisce interagire più fortemente con l’accettore. Queste attrazioni selettive permettono all’additivo di guidare come entrambi i componenti si dispongono mentre il film umido si asciuga.

Guidare il film mentre si asciuga

Usando misure ottiche risolte nel tempo, scattering a raggi X, microscopia a forza atomica e microscopia elettronica, i ricercatori osservano la formazione del film in tempo reale. Normalmente il donatore comincia a cristallizzare prima e spinge l’accettore a formare regioni grandi e grossolane. Quando è presente l’additivo, esso modifica sottilmente i tempi: accorcia la finestra in cui il donatore può sovracrescere, ritarda e attenua la cristallizzazione dell’accettore e migliora come entrambi i materiali si distribuiscono sullo strato di contatto sottostante. Il risultato finale è un film più liscio con domini molto più piccoli e distribuiti in modo più uniforme e una struttura verticale più omogenea dall’alto in basso — una rete finemente intrecciata piuttosto che grumi e vuoti.

Cariche più durature e potenza maggiore

Questa struttura interna raffinata presenta chiari vantaggi elettrici. Misure di come la luce viene assorbita lungo la profondità del film rivelano che gli eccitoni — coppie legate di cariche create dalla luce — si generano in modo più uniforme e più vicino agli elettrodi, così percorrono distanze minori prima di essere separati. I test sul flusso di carica mostrano mobilità più elevate e più bilanciate per elettroni e lacune, meno trappole dove le cariche rimangono intrappolate e meno ricombinazione in cui si annullano a vicenda. La spettroscopia laser ultrarapida conferma che le cariche si separano più rapidamente e vivono più a lungo prima di ricombinarsi. Insieme, questi effetti aumentano la corrente e, in particolare, il fattore di riempimento, portando a un’efficienza di conversione dell’energia del 18,43% — certificata indipendentemente al 18,16% — la più alta finora per questa classe di celle solari organiche a due componenti e piccole molecole.

Cosa significa per i film solari del futuro

Per un non specialista, il messaggio chiave è che un additivo temporaneo scelto con cura può agire come un “capomastro” per lo strato attivo in una cella solare flessibile. Il 3-allylrhodanine non rimane nel dispositivo, ma mentre è presente guida il modo in cui i mattoni costitutivi si sistemano, producendo una texture interna più fine che aiuta le cariche generate dalla luce a fuggire ed essere raccolte come elettricità. Lo studio rovescia anche l’assunzione semplice che un additivo lavori principalmente con il materiale a cui somiglia di più; la sua efficacia dipende invece da un equilibrio sottile di attrazioni verso tutti i componenti. Questa intuizione di design dovrebbe aiutare i ricercatori a ideare additivi ancora migliori e a spingere i pannelli solari organici stampati e leggeri verso le efficienze necessarie per la generazione di energia di tutti i giorni.

Citazione: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Parole chiave: celle solari organiche, fotovoltaico a piccole molecole, controllo della morfologia, additivi solidi, pannelli solari flessibili