Rigidità del backbone che favorisce la delocalizzazione dei buchi e consente una generazione di carica efficiente con perdita di tensione minima nei fotovoltaici organici non-fullerene

Perché contano celle solari plastiche migliori

I pannelli solari realizzati con materiali flessibili a base di carbonio promettono fonti di energia leggere, pieghevoli e potenzialmente molto economiche per tutto, dalle pareti degli edifici all’elettronica indossabile. Ma queste celle solari organiche dissipano ancora più energia in calore rispetto alle loro controparti al silicio, in particolare sotto forma di “perdita di tensione” che limita la quantità di potenza elettrica utile che possono fornire. Questo articolo esplora un nuovo materiale di tipo plastico con un backbone insolitamente rigido che aiuta le celle solari organiche a convertire la luce in elettricità in modo più efficiente, sprecando meno tensione rispetto a dispositivi simili.

Un nuovo tipo di plastica per la raccolta della luce

I ricercatori si concentrano su una cella solare organica realizzata da una miscela di due componenti: un polimero a catena lunga chiamato PTNT1-F che dona cariche positive e una molecola non-fullerene chiamata Y12 che accetta cariche negative. In questi dispositivi la luce genera coppie elettrone–buco strettamente legate che devono essere separate all’interfaccia tra donatore e accettore per generare corrente. Il problema è che ridurre la differenza di energia che guida questa separazione normalmente riduce la corrente, anche se aiuta a diminuire la tensione sprecata. PTNT1-F è progettato con un sistema di anelli esteso e rigido a base di carbonio e zolfo che mantiene ben organizzati i suoi stati elettronici, una caratteristica che il team ha sospettato potesse permettere una separazione di carica efficiente anche quando la forza motrice è ridotta.

Alta potenza con poca spinta sprecata

Quando PTNT1-F viene miscelato con Y12 in una struttura di cella solare standard, i dispositivi raggiungono efficienze di conversione della potenza superiori al 18 percento, simili o superiori alle migliori celle organiche basate sui polimeri popolari D18 e PM6. Crucialmente, le celle con PTNT1-F ottengono ciò soffrendo una «perdita di tensione non-radiativa» insolitamente piccola, di circa 0,18 volt. Questa perdita riflette quanta energia scompare sotto forma di calore invece di essere emessa come debole luce o raccolta come lavoro elettrico. In molti dispositivi organici pubblicati, la riduzione di questa perdita è tipicamente avvenuta a scapito della corrente. Qui gli autori mostrano che PTNT1-F rompe questa tendenza: la sua efficienza di generazione di carica raggiunge circa l’80 percento del limite teorico, il valore più alto finora riportato per celle organiche che operano con una perdita di tensione così bassa.

Catene rigide che restano ordinate in folla

Per comprendere perché questo materiale funziona così bene, il team ha studiato come si impacchino le sue lunghe catene molecolari e come siano distribuiti i loro livelli energetici. Diffrazione a raggi X e spettroscopie avanzate rivelano che quando PTNT1-F è mescolato con Y12, la dispersione dei suoi livelli energetici — la cosiddetta densità di stati — si allarga appena. In altre parole, il polimero mantiene un alto grado di ordine anche nel film mescolato complesso. Al contrario, i polimeri di riferimento D18 e PM6 mostrano chiari segni di disordine aumentato una volta miscelati, il che introduce maggiore «rugosità» energetica e siti trappola. Misure ottiche mostrano inoltre che PTNT1-F ha un’efficienza di emissione luminosa relativamente elevata e decadimenti non-radiativi limitati, tratti collegati al suo backbone rigido che limita i moti interni dove l’energia potrebbe essere persa come calore.

Come la rigidità aiuta le cariche a sfuggire

Analizzando il meccanismo, gli autori sostengono che la rigidità di PTNT1-F permette alle cariche positive (buchi) di distribuirsi lungo la catena invece di rimanere localizzate. Calcoli della massa efficace dei buchi supportano questo quadro, indicando che il polimero può sostenere stati elettronici estesi. Misure aggiuntive sensibili a sottili stati trappola all’interfaccia tra donatore e accettore suggeriscono che le miscele a base di PTNT1-F presentano meno trappole profonde rispetto a quelle basate su D18 o PM6. Nel complesso, questi risultati implicano che una volta che un buco viene trasferito da Y12 a PTNT1-F, può delocalizzarsi rapidamente lungo un backbone relativamente liscio e ordinato, rendendo più facile la separazione fra elettrone e buco prima che si ricombinino.

Lezioni di progettazione per le prossime plastiche solari

In termini semplici, questo studio mostra che rendere il backbone del polimero più diritto e rigido aiuta le celle solari organiche a ottenere «più rendimento per il loro investimento»: necessitano di una spinta energetica minore per separare le cariche e tuttavia producono una corrente elevata, riducendo le perdite energetiche che a lungo hanno ostacolato questi dispositivi. Il lavoro suggerisce che modellare con cura lo scheletro molecolare centrale — la sua simmetria, dimensione e l’allineamento degli anelli lungo la catena — può preservare l’ordine nella miscela affollata e promuovere la delocalizzazione di carica. Queste regole di progetto potrebbero guidare lo sviluppo di futuri materiali solari plastici che combinano alta efficienza con bassa perdita di tensione, avvicinando i fotovoltaici flessibili e leggeri a un uso pratico e su larga scala.

Citazione: Suruga, S., Mikie, T., Sato, Y. et al. Backbone rigidity promoting hole delocalization and enabling efficient charge generation with minimal voltage loss in nonfullerene organic photovoltaics. Commun Mater 7, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01115-y

Parole chiave: celle solari organiche, polimeri semiconduttori, separazione di carica, accettori non-fullerene, efficienza fotovoltaica