Dalla rivoluzionaria scoperta delle proprietà elettriche dei polimeri conduttori (scoperta che valse il premio Nobel nel 2000 a Heeger, MacDiarmid e Shirakawa), numerosi gruppi di ricerca cercano di realizzare celle solari a base plastica. I polimeri conduttori combinano le proprietà meccaniche delle plastiche (flessibilità, resistenza, malleabilità, elasticità) con la proprietà di poter condurre la carica elettrica. In particolare, la possibilità di modi-ficare la conducibilità elettrica di questi materiali e il loro assorbimento ottico attraverso l’introduzione di oppor-tune impurezze chimiche (drogaggio), ha reso possibile lo sviluppo di una nuova branca della opto-elettronica basata sui polimeri, nonché di realizzare sistemi fotovoltaici polimerici.
Le celle solari polimeriche [1] (o celle plastiche) sono leggere e flessibili, facilmente modificabili alla scala mo-lecolare e compatibili con tecniche di stampa poco costose rispetto alla sintesi del silicio cristallino e dei materiali convenzionali per il fotovoltaico. Celle polimeriche sono comparse sul mercato di recente come moduli pieghevoli per ricaricare dispositivi elettronici con la luce solare, ma l’efficienza di conversione delle celle solari polimeriche è, ad oggi, ancora troppo bassa per la produzione di energia su vasta scala. La massima efficienza oggi raggiunta è prossima al 6% per un sistema formato da una miscela di politiofeni (un tipo di polimero formato da eterocicli di zolfo) e un derivato organico del carbonio nello stato di aggregazione di fullerene (PCBM). Inoltre, questi materiali sono reattivi e si degradano nel tempo per effetto della radiazione ultravioletta o come risultato della contamina-zione da ossigeno. La possibilità di realizzare celle solari polimeriche, che siano stabili negli anni e ad alta efficienza di fotoconversione, non è solamente un problema tecnologico, ma anche un’importante sfida teorica di compren-sione della fisica dei polimeri e dei meccanismi di trasformazione della luce in carica elettrica.
Il progetto POLYPHEMO “Polymer based hybrids for photovoltaics: Improving efficiency by theoretical mode-ling” [2], finanziato dall’Istituto Italiano di Tecnologia e coordinato da Alessandro Mattoni, ricercatore dell’Istituto Officina dei Materiali del CNR Unità di Cagliari, studia, mediante la simulazione numerica, nuove miscele di po-limeri e materiali accettori inorganici (come ossidi di titanio o di zinco) per migliorare la stabilità delle celle solari plastiche. Il meccanismo di fotoconversione in questi materiali, cosiddetti ibridi, è fortemente dipendente dalla struttura del materiale alla scala atomica. Gli stati elettronici eccitati che si formano in risposta all’assorbi-mento di luce possono separarsi solamente all’interfaccia tra i due componenti (organico/inorganico) con affinità elettroniche differenti, dando luogo a carica libera che può essere raccolta sul carico.
Uno studio teorico e predittivo delle proprietà fotovoltaiche di tali sistemi non può prescindere da un’analisi accurata della loro struttura e dell’organizzazione dell’interfaccia polimero/inorganico su scala atomica. In par-ticolare, i meccanismi fisici rilevanti per la fotoconversione (assorbimento e formazione di stati elettronici eccitati nella componente organica, separazione in cariche libere all’interfaccia e trasporto ai contatti) possono essere compresi solo tenendo in esplicita considerazione gli elettroni del sistema e una loro descrizione quanto-mec-La scoperta dei polimeri conduttori ha offerto la
possibi-lità di realizzare celle solari di plastica, flessibili e con bassi costi di produzione, che potranno cambiare gli sce-nari futuri in campo fotovoltaico. Lo studio alla scala ato-mica di questi materiali strutturalmente e chiato-micamente complessi, richiede lo sviluppo di modelli teorici e l’uso intensivo del supercalcolo, al fine di migliorarne le pro-prietà di fotoconversione e renderli tecnologicamente competitivi.
ELETTRICITÀ DALLA PLASTICA: UN PROGETTO
IIT PER IL FOTOVOLTAICO DEL FUTURO
Alessandro Mattoni
alessandro.mattoni@dsf.unica.it Istituto Officina dei Materiali del CNR, Unità SLACS e Istituto Italiano di Tecnologia
Luca Ferraro
luca.ferraro@caspur.it
Gruppo di Scienze dei Materiali e Finanza Computazionale del CASPUR
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canica. Inoltre, una rappresentazione realistica delle nanostrutture ibride, che includa il disordine strutturale e chimico che caratterizza questi sistemi, richiede modelli atomistici di grossa taglia (104-105atomi) [3, 4].
La simulazione atomistica basata su una molteplicità di metodi (dai principi primi ai potenziali modello) è centrale per questa attività, il cui successo è legato allo sviluppo di strumenti teorico-computazionali ot-timizzati per le architetture parallele di ultima generazione basate su GPU. Il CASPUR, in qualità di riconosciuto centro di ricerca con compe-tenze sul GPU computing, sostiene questa attività partecipando alla pro-gettazione, realizzazione e ottimizzazione di codici numerici a scalabilità lineare per la dinamica molecolare e il calcolo della struttura elettronica di sistemi ibridi di grossa taglia. Il nuovo cluster di calcolo JAZZ, basato su acceleratori grafici NVIDIA FERMI, sarà l’architettura di riferimento per questa attività e fornirà la potente e rapida capacità di elaborazione ne-cessaria per raggiungere gli ambiziosi obiettivi del progetto.
Il supercalcolo permette di costruire le traiettorie atomiche (dina-mica molecolare) su scale temporali adeguatamente lunghe (tipica-mente milioni di iterazioni ) e di svelare dettagli morfologici importanti per il funzionamento di questi sistemi. Un esempio è il caso di una mi-scela tra un polimero e un nanotubo di carbonio (Figura 1). L’interazione tra una catena polimerica di lunghezza sperimentale e un nanotubo di carbonio danno luogo a fenomeni di avvolgimento elicoidale che sono difficilmente accessibili sperimentalmente, ma decisivi per l’efficienza della fotoconversione di questi sistemi.
Un secondo esempio è lo studio dettagliato della matrice polimerica all’interfaccia con una superficie di ossido di zinco. Il supercalcolo permette di studiare la microstruttura del polimero all’interfaccia e in particolare il grado di ordine strutturale. Si possono così chiarire i fenomeni di riarrangiamento del polimero che hanno l’effetto di ridurne le proprietà di trasporto normale alla superficie (Figura 2). Tali studi permettono di comprendere quali modifiche controllate dell’interfaccia (ad esempio funzionalizzazioni con molecole) sono in grado di migliorare le prestazioni di questi sistemi.
Il supercalcolo riveste dunque un ruolo centrale nello studio di materiali innovativi in campo fotovoltaico e più in generale nel campo dei materiali per l’energia.
BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
[1] Mayer, A.C., et al. (2007). Materials Today, 10, 28.
[2] IIT-project POLYPHEMO, https://sites.google.com/site/polyphemoproject/. [3] Melis, C., Mattoni, A., Colombo, L. (2010). J. Phys. Chem C, 114, 3401. [4] Melis, C., Colombo, L., Mattoni, A. (2011). J. Phys. Chem C, 115, 576.
[5] Caddeo, C., Melis, C., Colombo, L., Mattoni, A. (2010). J. Phys. Chem C, 114, 21109. [6] Saba, M.I., et al. In preparazione.
Fig. 1Modello atomistico di catena
polime-rica di poli3esiltiofene (P3HT) legata in una struttura pseudo-elicoidale alla superficie di un nanotubo di carbonio a parete singola (SWCNT) per lo studio delle proprietà di as-sorbimento e fotoconversione [5].
Fig. 2Modello atomistico di interfaccia tra
polimero e ossido di zinco. Si può com-prendere che l’organizzazione del poli-mero in prossimità dell’interfaccia viene modificata rispetto alla struttura del poli-mero isolato. Il disordine ha effetti impor-tanti sulle proprietà di trasporto del polimero. Le frecce indicano che i canali preferenziali per il trasporto dei portatori di carica positiva nel polimero [6] non sono ortogonali all’interfaccia e che le ca-tene polimeriche tendono a disordinarsi.
SWCNT
P3HT
