Come la tradizionale tecnologia solare al silicio, gli OSC trasformano l'energia del sole in elettricità utilizzabile. Ma sono molto più versatili del solare fotovoltaico convenzionale. Gli OSC sono leggeri e flessibili e possono essere realizzati per essere semitrasparenti o in vari colori. Queste qualità offrono loro potenziali applicazioni per celle solari integrate in tessuti, veicoli e edifici e per la creazione di energia in aree in cui non esiste.

Applicazioni uniche

Sebbene siano necessari ulteriori finanziamenti e ricerche per portare gli OSC sul mercato commerciale, gli esperti concordano sul fatto che svolgeranno un ruolo importante nel futuro della tecnologia solare. Detto questo, non sostituiranno o competeranno testa a testa con le celle solari al silicio. "Non dovremmo aspettarci di vedere campi estesi di OSC, come quelli che generano gigawatt di energia nei parchi solari al silicio", afferma Seth Marder, professore di chimica alla Georgia Tech. Il solare al silicio è adatto per fornire energia solare su larga scala, mentre gli OSC hanno altri punti di forza unici che guidano le sue applicazioni nel mondo reale. 

Due caratteristiche uniche degli OSC sono la loro sottigliezza e flessibilità. Mentre una tipica cella solare al silicio è spessa circa quanto la larghezza media di un capello umano, la maggior parte degli OSC sono circa mille volte più sottili. A causa della loro sottigliezza e flessibilità, gli OSC possono essere fabbricati su superfici curve e supporti flessibili. Ad esempio, possono essere rattoppati o integrati nel tessuto di tende, zaini e persino abbigliamento. La maggior parte di questi prodotti sono ancora in fase di sviluppo e occupano un mercato di nicchia, ma dimostrano la creatività innovativa fornita dagli OSC. Con la tecnologia OSC, le possibilità di utilizzo delle celle solari sono state notevolmente ampliate oltre i soli tetti e parchi solari.

Gli OSC possono anche essere resi trasparenti, semitrasparenti o in vari colori. Di conseguenza, ci sono molte potenziali applicazioni per uso architettonico. Ad esempio, gli OSC trasparenti potrebbero essere integrati nelle finestre per generare energia dalla luce solare che potrebbe altrimenti riscaldare una stanza e contribuire a costi di condizionamento dell'aria più elevati. Franky So, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la North Carolina State University, offre un'altra applicazione: gli OSC potrebbero essere utilizzati nei tettucci apribili per aiutare ad alimentare i veicoli elettrici e ibridi.

Inoltre, i bassi investimenti iniziali e i costi di spedizione del prodotto potenzialmente bassi rendono la tecnologia OSC accessibile alle comunità dei paesi in via di sviluppo che non hanno accesso a una rete elettrica e non hanno i mezzi finanziari per costruirne una. Gli OSC hanno la capacità unica di "portare potere dove il potere non esiste", spiega Malika Jeffries-EL, professore associato di chimica alla Boston University. In questi casi, la tecnologia OSC potrebbe fornire elettricità essenziale nelle quantità minori necessarie per attività come l'illuminazione, la ricarica dei telefoni cellulari e la refrigerazione di farmaci e vaccini.

Un altro punto di forza degli OSC è che richiedono meno energia da produrre rispetto alle celle solari al silicio. Sono necessari forni estremamente caldi - fino a 1,500 ° C (2,700 ° F) - per generare silicio ad alta purezza per celle solari al silicio. In confronto, gli OSC su larga scala possono essere prodotti semplicemente stampando gli strati della cella su un supporto in un processo simile a quello utilizzato per stampare i giornali. Poiché questo processo consuma meno energia, gli OSC hanno un tempo di ammortamento energetico significativamente più breve rispetto alle celle al silicio. In altre parole, gli OSC richiedono un tempo più breve per generare la quantità di energia necessaria per produrli.

Come funziona

La prima cella solare organica è stata sviluppata nel 1958, ma è stato solo negli anni 2000 che gli OSC hanno visto un significativo aumento dell'efficienza. Questa tecnologia OSC migliorata è emersa dal campo dei diodi organici a emissione di luce, comunemente noti come OLED. La tecnologia OLED è utilizzata per molti schermi televisivi e telefonici oggi sul mercato. In uno schermo OLED, uno strato di molecole organiche (molecole composte principalmente da atomi di carbonio e idrogeno) emette luce quando viene applicata una corrente elettrica. Gli OSC funzionano essenzialmente in modo opposto: lo strato di molecole organiche genera una corrente elettrica se esposto alla luce.

Una cella solare organica è costituita da più strati di materiali, uno dei quali è lo strato accettore. Quando la luce solare colpisce la cellula, un elettrone viene rilasciato dallo strato di molecole organiche e il compito dell'accettore è di trasmettere quell'elettrone all'elettrodo. Questo processo provoca un accumulo di carica, che è ciò che genera elettricità.

Tradizionalmente, gli accettori più comunemente usati negli OSC erano materiali a base di fullerene, una molecola composta da 60 atomi di carbonio uniti tra loro in una struttura che ricorda un pallone da calcio. Tuttavia, con gli accettori di fullereni l'efficienza degli OSC era limitata a circa il 10%. In altre parole, solo il 10% della luce solare che colpisce la cella solare è stata convertita in elettricità. I ricercatori hanno quindi deciso di esplorare nuovi tipi di strati accettori come mezzo per aumentare l'efficienza dell'OSC.

La svolta che ha permesso agli OSC di raggiungere una maggiore efficienza è stata lo sviluppo di accettori non fullereni (NFA). Con gli NFA l'efficienza degli OSC è aumentata notevolmente — fino a 18% in pochi anni. Ciò ha portato gli OSC all'estremità inferiore del Efficienza dal 18% al 22% della cella solare al silicio media disponibile in commercio. Questo aumento di efficienza ha superato le aspettative di molti esperti, alcuni dei quali hanno iniziato a lavorare sul campo quando l'efficienza degli OSC si aggirava intorno al 3%. "Se 10 anni fa mi avessi detto che avremmo avuto celle solari organiche con un'efficienza del 18%, avrei riso", dice Marder.  

Barriere da superare

C'è ancora molto lavoro da fare prima che gli OSC possano essere ampiamente commercializzati. Una delle maggiori sfide sono i solventi utilizzati nel processo di produzione. La maggior parte degli OSC ad alte prestazioni sono realizzati utilizzando solventi clorurati, che presentano rischi sia per la salute che per l'ambiente. "Quando si aumenta la produzione OSC, è necessario considerare l'esposizione delle persone che lavoreranno negli impianti di produzione", afferma Bernard Kippelen, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Georgia Tech. La ricerca fino ad oggi si è concentrata in gran parte sull'ottenimento di efficienze sempre più elevate, ma come dice Kippelen, "abbiamo bisogno di un approccio che vada ben oltre un solo numero". Per rendere gli OSC una tecnologia praticabile, il processo di produzione deve essere ottimizzato per renderlo più sicuro e più conveniente.

Un'altra barriera alla produzione di massa di OSC è la differenza tra le efficienze delle singole celle testate in condizioni di laboratorio ideali e le efficienze che sono state dimostrate per moduli più grandi. Le singole celle possono avere un'elevata efficienza, ma l'assemblaggio di più celle in moduli, pannelli o array richiede connessioni elettriche aggiuntive che ridurranno l'efficienza. Tuttavia, come sottolinea Kippelen, questo tipo di disparità è previsto. "Ci vuole del tempo prima che gli aumenti dell'efficienza delle celle si riflettano nell'efficienza dei moduli che escono dalle linee di produzione", afferma. "Lo stesso valeva per le celle solari al silicio".

Il finanziamento per la ricerca OSC è un'altra preoccupazione. Negli Stati Uniti, gran parte dei finanziamenti per la ricerca sulle celle solari proviene da agenzie governative, come il Dipartimento dell'Energia. Tuttavia, secondo Kippelen "molte fonti di finanziamento si sono in qualche modo prosciugate per fare ricerca su OSC", a causa dell'emergere di una classe di celle solari in rapida espansione chiamata perovskiti. "C'è stata molta eccitazione intorno all'uso delle perovskiti perché in alcuni casi la loro efficienza è persino superiore a quella del silicio", afferma Kippelen. Tuttavia, anche se i finanziamenti per gli OSC sono diminuiti negli Stati Uniti, la Cina continua a guidare la ricerca e lo sviluppo degli OSC. "La quantità di lavoro [sulla ricerca OSC] negli Stati Uniti è una piccola frazione della quantità di lavoro in Cina", afferma Marder. "La gente in Cina sta dando il massimo su questo". 

Ragioni per l'ottimismo

Il futuro consumo mondiale di energia continuerà ad aumentare, soprattutto perché i paesi in via di sviluppo aspirano agli stessi benefici della produzione di energia su richiesta di cui godono i paesi sviluppati. Ricercatori come Marder, Kippelen, Jeffries-EL e So affermano che la tecnologia OSC ha il potenziale per svolgere un ruolo unico e importante nella transizione globale verso l'energia rinnovabile. Il recente aumento dell'efficienza dell'OSC al 18% ha portato molti ricercatori a lavorare per far progredire questa tecnologia e gli scienziati stanno ora esaminando gli OSC tandem (che utilizzano due materiali diversi che assorbono lunghezze d'onda distinte della luce solare) per catturare ancora più energia. Alcuni sperano che questo sviluppo possa aumentare ulteriormente l'efficienza dell'OSC, fino al 20%.

Kippelen chiede una visione a lungo termine della tecnologia OSC. "La tecnologia solare sarà in circolazione per molto tempo", afferma, "e credo davvero che OSC, con il tempo, si affermerà come una tecnologia davvero importante".

Circa l'autore

 Kellie Stellmach è una studentessa laureata che sta perseguendo il suo dottorato di ricerca. in chimica alla Georgia Tech. È appassionata di sviluppare nuovi materiali organici per affrontare le sfide ambientali e di sostenibilità. La sua ricerca attuale si concentra sulla sintesi di polimeri a bassa temperatura del soffitto con potenziali applicazioni come materiali riciclabili.

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Questo articolo è originariamente apparso su Ensia