Tecnologie e applicazioni di celle solari fotovoltaiche organiche - parte 2

Tesi Green, Estratto del Capitolo 3 - I processi del fotovoltaico organico, i parametri di una cella organica e i semiconduttori organici
I sette processi del fotovoltaico organico
Una cella fotovoltaica organica presenta tipicamente una struttura a più piani sovrapposti: sottili strati di elettrodi e strati di assorbimento/fotogenerazione sono depositati su un substrato trasparente. Possono essere presenti anche strati di buffer per l’accoppiamento elettrico, strati con materiale organico di tipo n o p e strati di blocco per gli eccitoni.
Il substrato può essere anche 1000 volte più spesso di tutta la struttura della cella organica. Per spiegare il principio di funzionamento di una cella solare organica è necessario dividere ed analizzare ciò che avviene suddividendo la conversione luce => corrente elettrica in sette processi:
- Ricezione del fotone
- Assorbimento del fotone
- Formazione della coppia elettrone-lacuna (eccitone)
- Migrazione dell’eccitone
- Separazione delle cariche
- Trasporto delle cariche
- Accumulo delle cariche agli elettrodi
I parametri di una cella organica
Per incrementare l’efficienza di conversione da luce a corrente elettrica, si deve prestare attenzione ai seguenti passaggi:
- La quantità di luce assorbita nella regione attiva della cella deve essere il più grande possibile,
- La separazione delle cariche deve essere il più ampia possibile, e quindi è necessario un campo elettrico interno alla cella solare,
- Le cariche generate devono raggiungere il circuito esterno senza alcuna perdita.
Alcuni parametri servono a descrivere in che misura questi tre passaggi sono stati rispettati, in particolare:
- efficienza di conversione
- efficienza di potenza
Semiconduttori organici
Ci sono fondamentali differenze tra i semiconduttori organici e quelli classici. Nei semiconduttori classici basati sul Silicio l’assorbimento dei fotoni crea direttamente portatori di carica libera (elettroni e lacune). Nei semiconduttori organici, invece, l’assorbimento dei fotoni provoca la formazione degli eccitoni che vengono poi dissociati in elettroni e lacune. La principale causa di questa differenza sta nel fatto che i semiconduttori organici hanno una costante dielettrica molto più bassa dei semiconduttori classici. La costante dielettrica determina la magnitudo tra elettroni e lacune e quindi tra i portatori di carica e gli ioni dopanti. Un'altra importante differenza è il raggio di Bohr dei portatori di carica, definito per un atomo di idrogeno come la distanza media tra la traiettoria dell’ elettrone e il nucleo di carica positiva.
Il raggio di Bohr è quindi maggiore per i portatori di carica dei semiconduttori classici. Ciò comporta una distanza media tra le cariche maggiore e quindi minore probabilità di una ricombinazione spontanea.