Dettagli: By Roberta Di Monte; Categoria: Progetti sostenibili; Ultima modifica: 02 Agosto 2026

Come la chimica del carbonio e i materiali OPV stanno rendendo l'energia solare leggera e stampabile

Il fotovoltaico organico flessibile e stampabile per catturare più luce

Il fotovoltaico organico flessibile e stampabile per catturare più luce (DMR-AI08_26)

Il fotovoltaico organico usa donatori e NFA in una BHJ flessibile e stampabile per catturare più luce e generare energia in modo leggero e integrabile

Il fotovoltaico organico (OPV) rappresenta la nuova frontiera dell'energia solare grazie all'uso di materiali a base di carbonio che rendono le celle flessibili, ultraleggere e stampabili. Il loro funzionamento si basa sull'interazione tra un polimero donatore e un accettore non fullerenico (NFA) disposti in una struttura a mescola (bulk heterojunction, BHJ). L'accoppiamento mirato di materiali con diversi bandgap permette di catturare un'ampia porzione dello spettro solare, trasformando la luce in corrente elettrica attraverso una separazione efficiente delle cariche. Questa tecnologia apre la strada a integrazioni architettoniche e portatili finora impossibili con i pannelli tradizionali.

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Il fotovoltaico organico (OPV) rappresenta la nuova frontiera dell'energia solare, superando i limiti del silicio tradizionale

Introduzione semplice ai materiali OPV

Nel fotovoltaico organico (OPV), la luce del sole viene trasformata in elettricità grazie a materiali a base di carbonio. Il cuore della cella è una miscela di due componenti:

· Polimero donatore (p‑type) → assorbe la luce e genera le cariche.
· Accettore non‑fullerenico (n‑type) → raccoglie gli elettroni e li trasporta.

Insieme formano una struttura detta bulk‑heterojunction (BHJ), dove le cariche si separano e fluiscono verso gli elettrodi. Questa combinazione rende le celle OPV flessibili, leggere e stampabili, ideali per applicazioni innovative.

La struttura “a mescola” crea molte interfacce donor/acceptor vicine, così gli eccitoni non devono viaggiare lontano per separarsi. Le cariche separate (elettroni e lacune) trovano percorsi per raggiungere gli elettrodi e generare corrente elettrica.

Funzionamento di una cella fotovoltaica organica (OPV)

Funzionamento di una cella fotovoltaica organica (OPV): mostra gli strati donatore e accettore, la giunzione BHJ, e il flusso di elettroni e lacune sotto la luce solare. (RDM-AI07_26)

Polimeri Donatori (Donors)

I polimeri donatori sono semiconduttori organici responsabili dell'assorbimento della luce e della generazione di eccitoni

Materiali Benchmark: Tra i polimeri più studiati e performanti figurano il PM6, il D18, il PBDB-T (noto anche come PCE12) e il PTB7-Th

Questi polimeri utilizzano spesso unità elettroniche ricche di elettroni come l'oligotiofene (OT), il benzoditiofene (BDT) e l'indacenoditiofene (IDT)

Ad esempio l’oligotiofene è un oligomero del tiofene (monomero: C₄H₄S) con unità connesse in posizione 2,5. La formula generale per un oligomero con n unità è:

C₄ₙH₂ₙ₊₂Sₙ

I donatori vengono scelti in base al loro bandgap (che può essere largo, medio o stretto) per garantire una copertura spettrale ottimale quando accoppiati con l'accettore

I donatori nei materiali OPV vengono scelti in base al loro bandgap, cioè la quantità di energia che riescono ad assorbire dalla luce. Un bandgap può essere:

· largo → assorbe luce più “energetica” (blu‑verde)
· medio → copre bene la parte centrale dello spettro
· stretto → assorbe luce più “bassa energia” (rosso‑IR)

Quando si abbina un donatore a un accettore, serve che i due materiali coprano insieme più luce possibile. Per questo si sceglie il bandgap del donatore in modo che completi l’assorbimento dell’accettore: così la cella OPV cattura più fotoni e produce più corrente.

Meccanismo dei donatori OPV

Meccanismo dei donatori OPV (RDM-AI08_26)

Accettori Non Fullerenici (NFA)

I NFA non hanno una formula unica in quanto sono molecole organiche progettate su misura. Tuttavia, condividono una struttura generale di tipo A–D–A (Accettore–Donatore–Accettore) o A–DA′–D–A

· Il donatore assorbe la luce e crea un eccitone (elettrone + lacuna).
· L’eccitone raggiunge l’interfaccia con l’NFA, che ha livelli energetici progettati per accettare l’elettrone.
· L’elettrone si muove nel percorso dell’accettore, mentre la lacuna resta nel donatore.
· La separazione delle cariche genera corrente.

Funzionamento della struttura NFA

Funzionamento della struttura NFA (RDM-AI08_26)

La ricerca sta esplorando unità elettroniche innovative, come i sistemi che incorporano legami Boro-Azoto (B-N), che offrono proprietà elettroniche uniche rispetto agli analoghi totalmente carboniosi. Inoltre, lo sviluppo di accettori polimerici sta portando alla creazione di celle "all-polymer", note per la loro superiore stabilità meccanica e morfologica rispetto ai sistemi a piccole molecole

Small-Molecule Semiconductors for High-Efficiency Organic Solar Cells

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