Innovative solution in organic photovoltaic devices

New technologies for photovoltaic energy generation can contribute to environmentally friendly, renewable energy production and may lead to the reduction of carbon dioxide liberated by burning fossil fuels and biomasses. Besides the established silicon based solar cells new photovoltaic technology has gained a lot of interest during the last decade. Among them organic solar cells (OSC) based on conjugated molecules or polymers are promising candidates for the manufacturing of environmentally safe, flexible, lightweight, and inexpensive photovoltaic devices which can be used in low cost applications. Particularly attractives are in photovoltaic (PV) elements based on thin plastic films. The flexibility offered through the chemical tailoring of desired properties, as well as the cheap technology already well developed for all kinds of plastic thin film applications would make such an approach widely adopted. Unfortunately a main bottleneck is to be solved before industrial production could become economically viable, particularly represented by the still low conversion efficiency. In organic semiconductors the primary photo-excitations do not directly and quantitatively lead to free charge carriers but to coulombically bound electron-hole pairs, called excitons, that need strong electric fields to generated free charge carriers, present for example at the discontinuous potential drops at the interfaces between donors and acceptors as well as between semiconductors and metals. The exciton diffusion lengths in polymers and in organic semiconductors is usually around 10-20 nm: for efficient photovoltaic devices, the excitons have to split before recombining and the free electrons and holes must be transported towards the electrodes to produce the photocurrent. Major problem derives from loss mechanism, such as exciton decay, charge recombination and low mobility, resulting in reduced photocurrent extraction at the electrodes and low power conversion efficiency. The improvement of the efficiency is one of the most important aspect in which is concentrated the research in OSC, our too. Two different routes going towards this objective focalized in this aspect have been explored, in order to contribute to realize a novel and effective technology in the photovoltaic field. The first concerns the development of a novel light trapping system bases on microlenses, The second, on which we are still working, regards the fabrication of nanostructured solar cells by top-down techniques, particularly nanoimprinting (NIL).

Il problema energetico sta destando negli ultimi anni sempre maggior interesse e preoccupazione, per il ridursi delle risorse fossili e dal conseguente acuirsi dei problemi d’inquinamento derivanti dal loro quasi esclusivo utilizzo per la produzione di energia elettrica. Non è sorprendente quindi che dal mondo della ricerca un grande sforzo sia dedicato allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica. Attualmente, il silicio possiede una posizione centrale nel panorama delle celle fotovoltaiche: l’elevato costo di questo tipo di tecnologia, derivato dall’alto costo del materiale e dei processi fabbricativi, ha incoraggiato lo sviluppo di soluzioni alternative che si basino su materiali innovativi. Tra queste, grande risalto è stato dato negli ultimi anni alle cosiddette "organic solar cell", basate sull’impiego di semiconduttori organici. Il loro vantaggio risiede nel fatto che questi possono essere depositati, su larghe aree e a costi molto ridotti, in fase liquida, utilizzando quindi metodi tipici dell’industria della stampa nel campo del fotovoltaico ed eliminando così alti costi di materiale e di processo tipici dell’industria a semiconduttore inorganico. L’impiego di film sottili e conseguentemente di poco materiale, contribuisce a rendere il fotovoltaico organico uno dei più quotati candidati per lo sviluppo di una tecnologia solare a basso costo. Una tipologia di celle solari organiche utilizza come materiali foto attivi i polimeri coniugati; evidenti progressi sono stati compiuti, col raggiungimento di efficienze ragguardevoli, dell’ordine del 4-5%. Purtroppo però, questo non è ancora sufficiente perché la tecnologia possa essere trasferita su scala industriale. Molti sforzi si stanno facendo nell’ambito della ricerca per migliorare l’efficienza di queste celle. Sullo sviluppo e l’impiego di soluzioni alternative e innovative applicabili al campo del fotovoltaico organico, e in particolare polimerico, è concentrata la nostra attività di ricerca. Due percorsi in particolare sono stati investigati, basate sull’impiego di un nuovo sistema per l’intrappolamento in cavità della luce e sull’impiego delle nanotecnologie fabbricative.