Pannelli fotovoltaici – miglioramento dei metodi per misurare il trasferimento di elettroni

Nonostante la sua importanza nel determinare il potenziale di un dispositivo fotovoltaico, gli attuali metodi per monitorare il trasferimento interfacciale di elettroni continuano a essere imprecisi. Ora, utilizzando impulsi continui nel profondo ultravioletto, gli scienziati della EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) hanno sviluppato un metodo specifico per il substrato per rilevare il trasferimento di elettroni. Pubblicato nel Journal of the American Chemical Society, il loro articolo intitolato “Interfacial Electron Injection Probed by a Substrate-Specific Excitonic Signature” descrive come il team ha sviluppato un metodo specifico per il substrato per rilevare il trasferimento di elettroni.

Le celle solari sensibilizzate, formate da un sensibilizzante molecolare o allo stato solido che serve per raccogliere la luce e iniettare un elettrone in un substrato che favorisce la loro migrazione, sono tra i sistemi fotovoltaici più studiati. Tuttavia, tutte le attuali metodologie, che usano la luce nelle frequenze dallo spettro visibile a quelle terahertz (lunghezze d’onda di circa 400-30 000 nm), possono fornire risultati imprecisi. Questo approccio è sensibile ai vettori che rimangono liberi nella banda di conduzione del substrato semiconduttore. Essi di conseguenza non sono specifici per il tipo di substrato e non possono essere estesi alla nuova generazione di celle solari sensibilizzate allo stato solido.

Il team di EPFL intendeva superare le limitazioni dei metodi attuali per la misurazione del trasferimento di elettroni impiegando due tipi di sistemi di conversione del solare sensibilizzato con colorante: uno basato sul biossido di titanio, l’altro su nanoparticelle di ossido di zinco, che appartengono entrambi alla categoria dei substrati TMO (ossidi di metalli di transizione). Utilizzando impulsi continui nel profondo ultravioletto, gli scienziati della EPFL hanno sviluppato un metodo specifico per il substrato per rilevare il trasferimento di elettroni.

Essi spiegano nel loro articolo, “(…) noi dimostriamo l’utilizzo di impulsi continui nel profondo ultravioletto per sondare il trasferimento interfacciale di elettroni, rilevando una specifica transizione eccitonica sia nel TiO2 anatasio N719 sensibilizzato che nelle nanoparticelle di ZnO wurtzite.” Questo mostra che, “(…) il segnale subito dopo l’iniezione dell’elettrone dal colorante N719 nel TiO2 è dominato dalla schermatura a lungo raggio di Coulomb degli stati finali delle transizioni eccitoniche, mentre nella ZnO sensibilizzata è dominato dal riempimento dello spazio di fase.”

Gli ossidi (TiO2, ZnO, NiO) dei metalli di transizione (TM) sono isolanti con una grande banda proibita che si sono affermati come materiali molto interessanti nel corso degli ultimi due decenni per applicazioni nella fotocatalisi, la conversione dell’energia solare. Nonostante il fortissimo interesse verso questi materiali, la natura stessa delle eccitazioni elettroniche elementari (Frenkel, Wannier o eccitone a trasferimento di carica) non è stata ancora accertata. Un Advanced Grant dell’UE ha aiutato la ricerca nell’ambito del progetto DYNAMOX (Charge carrier dynamics in metal oxides) che sta sviluppando nuovi strumenti sperimentali che ci potrebbero fornire informazioni finora inaccessibili riguardanti le dinamiche del vettore di carica negli ossidi TM. La ricerca condotta a Losanna aiuterà a identificare la transizione eccitonica con maggiore chiarezza.

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