Interazioni supramolecolari intercatena guidano celle solari organiche con quasi il 21% di efficienza

Perché questa scoperta solare è importante

I pannelli solari realizzati con materie plastiche anziché con il rigido silicio possono essere leggeri, flessibili e persino trasparenti, ideali per alimentare dispositivi, finestre e superfici curve. Ma queste celle solari organiche hanno faticato a raggiungere l’efficienza delle migliori tecnologie attuali perché parte dell’energia assorbita si disperde silenziosamente sotto forma di calore. Questo studio mostra come rimodellare con cura le piccole catene laterali delle molecole organiche possa domare quelle perdite energetiche nascoste e portare le celle solari flessibili vicino al 21% di efficienza, facendo concorrenza alle tecnologie più tradizionali.

Realizzare materiali plastici solari migliori

Le celle solari organiche si basano su miscele di molecole a base di carbonio che assorbono la luce e separano le cariche. Gli autori si sono concentrati su una famiglia di molecole “accettore” che lavorano in coppia con un polimero donatore chiamato D18. Nei progetti standard questi accettori hanno catene laterali flessibili che ne facilitano la solubilità e la lavorazione, ma consentono anche vibrazioni e movimenti. Questi moti si accoppiano con le cariche in movimento e favoriscono la dispersione di energia in calore. Il team ha progettato un nuovo accettore, chiamato S-Cb, le cui catene laterali includono un piccolo anello a quattro carboni teso, il ciclobutano. Questo anello è relativamente rigido e piatto, perciò irrigidisce la molecola e modifica sottilmente il modo in cui i materiali si impaccano in un film.

Zittire l’energia sprecata all’interno del film

Per verificare se il progetto più rigido fosse davvero efficace, i ricercatori hanno confrontato l’emissione e l’assorbimento di luce di S-Cb con un accettore all’avanguardia chiamato L8-BO. Le misure in soluzione e nei film sottili hanno mostrato che S-Cb perde leggermente meno energia durante il rilassamento degli stati eccitati e che il suo spettro di emissione è più stretto: entrambi i segnali indicano che sono disponibili meno vie vibrazionali per lo smaltimento dell’energia. La temperatura di transizione vetrosa di S-Cb è più alta, indicando un materiale più rigido. Studi ai raggi X hanno inoltre rivelato che S-Cb forma strati più ordinati, e la calorimetria ha mostrato una maggiore tendenza a cristallizzare. Insieme, questi test indicano che l’anello ciclobutilico rende il materiale più rigido e meglio organizzato, indebolendo l’accoppiamento indesiderato tra elettroni e vibrazioni molecolari.

Permettere alle molecole di agganciarsi tra loro

Il comportamento più sorprendente è emerso quando S-Cb è stato miscelato con L8-BO in un dispositivo ternario che conteneva anche il polimero D18. Simulazioni al computer e analisi cristallografiche hanno mostrato che quando S-Cb e L8-BO sono presenti in quantità uguali, le loro diverse catene laterali possono incastrarsi in un arrangiamento a “morsetto”. L’anello quasi planare del ciclobutano di S-Cb si infila nelle catene laterali biforcate di L8-BO, trattenuto da numerosi deboli contatti a base di idrogeno. Questo aggancio intermolecolare tira le molecole in una fase accettore compatta e uniformemente impacchettata, simile a una lega. In questo stato lo spazio libero nel film si riduce, il moto molecolare è limitato, e i calcoli mostrano che sia la riorganizzazione vibrazionale sia l’attrazione tra elettroni e lacune diminuiscono, favorendo la separazione e il movimento delle cariche anziché la ricombinazione.

Trasformare la struttura in prestazioni superiori

Le celle solari costruite solo con S-Cb hanno già mostrato buone prestazioni, raggiungendo quasi il 19,6% di efficienza di conversione, simile alle celle basate esclusivamente su L8-BO. Quando i due accettori sono stati miscelati con D18, le prestazioni sono risultate fortemente dipendenti dal rapporto di miscelazione. In una miscela 1:1 di S-Cb e L8-BO, dove l’effetto di morsetto è più forte, le celle hanno raggiunto il 20,93% di efficienza, con un valore certificato del 20,74%. Test ottici ed elettrici dettagliati hanno mostrato che in questo punto ottimale i dispositivi combinano forte assorbimento di luce, trasporto di carica bilanciato, ricombinazione rallentata e perdite non radiative ridotte. La microscopia su scala nanometrica ha confermato una rete finemente intrecciata di regioni donatrici e accettrici con dimensioni di dominio ben abbinate, favorevoli sia alla scissione degli eccitoni sia all’estrazione delle cariche.

Cosa significa per i pannelli solari futuri

Per un non specialista, il messaggio principale è che piccole modifiche alle catene laterali delle molecole organiche possono avere un impatto notevole sul modo in cui le cariche si muovono in una cella solare. Aggiungendo un piccolo anello rigido, i ricercatori hanno creato molecole che non solo vibrano meno, ma che agganciano anche i vicini in una rete ordinata, riducendo il calore sprecato e aiutando le cariche a fuggire. Questa strategia di “morsettamento molecolare” ha sollevato le celle solari organiche flessibili vicino al 21% di efficienza, suggerendo una via di progettazione pratica verso pannelli sottili e leggeri che si avvicinano alle prestazioni dei migliori dispositivi al silicio offrendo però molto più versatilità in termini di dove e come possono essere impiegati.

Citazione: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

Parole chiave: celle solari organiche, catene laterali ciclobutiliche, interazioni supramolecolari, riduzione delle perdite energetiche, miscugli fotovoltaici ternari