La ricerca di materiali organici cristallini fa avanzare la progettazione delle celle solari
Sebbene siano stati fatti notevoli progressi nei sistemi fotovoltaici organici, il controllo della loro struttura nanometrica si è rivelato sfuggente. Lo sviluppo di sistemi modello con reti periodiche ben definite e interpenetranti di fasi di donatori e accettori di elettroni rappresenterebbe un’importante svolta. Il progetto ECOF (Electroactive Donor-Acceptor Covalent Organic Frameworks), finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida creando sistemi modello altamente definiti per aumentare la comprensione della relazione tra i parametri elettronici e strutturali e le conseguenti dinamiche dei portatori di carica indotte dalla luce. I ricercatori hanno basato il loro lavoro sulle strutture organiche covalenti (COF, covalent organic frameworks), una classe di materiali cristallini organici altamente porosi scoperta di recente i cui elementi costitutivi molecolari sono tenuti insieme da legami covalenti. «Questi polimeri a strati bidimensionali e tridimensionali promettono un controllo strutturale e una comprensione decisamente maggiori delle proprietà fisiche», afferma Thomas Bein, coordinatore del progetto. Questo straordinario progetto interdisciplinare prevedeva una sintesi organica di alto livello con nanoscienze avanzate e caratterizzazione fisica approfondita. «Essere in grado di assemblare architetture COF su nanoscala e microscala è di fondamentale importanza per ottenere nuove funzionalità», spiega Bein.
Un ordine di alto livello
I partner del progetto hanno sviluppato COF in grado di formare fasi di semiconduzione, comprese fasi di interpenetrazione con proprietà di elettrondonatori e di elettronaccettori. «Le nuove strutture possono in definitiva fungere da eterogiunzioni di massa periodiche, che comprendono materiali di donatori e accettori mescolati attraverso il dispositivo in grado di raccogliere la luce, generare eccitoni e separare questi ultimi in cariche che vengono raccolte a livello di elettrodi o che vengono convertite in legami chimici», osserva Bein. Inoltre, l’elevato livello di ordine in tali sistemi fornisce anche una profonda comprensione della dinamica del portatore di carica, consentendo agli scienziati di creare celle solari più efficienti e altri dispositivi optoelettronici. In collaborazione con chimici organici, il team ha creato COF con diverse porzioni di donatori e accettori di elettroni eteroaromatici. Ciò ha permesso la formazione di reti interpenetranti altamente ordinate per la separazione della carica indotta dalla luce. Per raggiungere i loro ambiziosi obiettivi, i ricercatori di ECOF hanno in primo luogo sintetizzato elementi costitutivi molecolari multifunzionali per creare COF altamente cristalline. Hanno anche sviluppato strategie di crescita di pellicole sottili, tra cui vi sono pellicole orientate su substrati conduttivi, la costruzione di dispositivi e la caratterizzazione dettagliata del comportamento optoelettronico e dinamico dei nuovi sistemi.
Creazione di microstrutture
Un’indagine meccanicistica approfondita ha rivelato la trasformazione dipendente dal tempo di agglomerati simili a fogli in microstrutture tubolari. Bein commenta: «Sorprendentemente, le COF ottenute hanno mostrato aggregazione spontanea in insiemi microtubolari con diametro esterno e interno del tubo rispettivamente di circa 300 e 90 nm». Per modificare ulteriormente le proprietà luminescenti delle COF, è anche possibile innestare porzioni fluorescenti sulle pareti dei sistemi COF funzionalizzati. «Ad esempio, abbiamo sviluppato una nuova COF basata sull’acido terfenil-diboronico che presenta pori aperti di circa 4,1 nm», aggiunge Bein. ECOF aprirà nuove opportunità per generare modelli precisi e previsioni sulla relazione tra la struttura spaziale ed elettronica dei semiconduttori organici e il loro comportamento optoelettronico. «Prevediamo che queste intuizioni siano di fondamentale importanza per la progettazione futura di dispositivi efficienti basati su semiconduttori organici, quali celle solari organiche e diodi organici a emissione di luce», conclude.
Parole chiave
ECOF, struttura organica covalente (COF), elettrone, donatore, accettore, cristallino, cella solare, optoelettronico, porzioni, semiconduttore, eterogiunzione, polimero, acido terfenil-diboronico
