I ricercatori hanno riaperto un canale di perdita

Il recupero dei tripletti apre la strada a efficienze oltre il 21 per cento

Un numero scomodo da metabolizzare, se ci si ferma a pensarci. Nella cella solare organica più studiata al mondo, quella basata sulla miscela PM6:Y6 che ha fatto da benchmark per anni, nove elettroni su dieci che si ricombinano lo fanno proprio attraverso la formazione di eccitoni tripletti non emissivi. È il principale canale di perdita non radiativa nei dispositivi che usano accettori non fullerene, una categoria su cui la ricerca ha puntato tutto nell’ultimo decennio. Tradotto in termini pratici: è come se una centrale solare buttasse via il 90 per cento dell’energia che produce, e nessuno sapesse bene dove finisce. O meglio, lo si sapeva: quei tripletti venivano dati per spacciati, condannati a dissiparsi in calore senza possibilità di recupero. Una condanna certificata da chi studia la fisica di questi materiali, non un difetto di fabbricazione.

Uno studio pubblicato lo scorso aprile su Nature ha mostrato per la prima volta che gli eccitoni T1 possono essere ridissociati attraverso lo stato di trasferimento di carica interfacciale, riportandoli nel circuito utile della generazione elettrica. Non è un ritocco incrementale: è la dimostrazione che un canale di perdita considerato irreversibile può essere riaperto, se si lavora sulla chimica dell’accettore e sulla distribuzione degli orbitali nella fase condensata. I ricercatori hanno rivelato come la delocalizzazione dell’eccitone negli aggregati influenzi l’energetica singoletto-tripletto, rendendo controllabile il traffico tra lo stato T1 e lo stato di trasferimento di carica a tripletto di spin. Parole complesse per dire una cosa semplice: quei tripletti non erano morti, erano soltanto addormentati.

Il 90% di energia che sparisce nel nulla

Già nel 2021, quando il gruppo di lavoro sulla miscela PM6:Y6 ha quantificato per la prima volta la frazione di ricombinazione non radiativa, più di qualcuno si era convinto che il fotovoltaico organico avesse un soffitto invalicabile. Quel 90 per cento di perdita per tripletti non emissivi, misurato in condizioni di circuito aperto, sembrava un verdetto della termodinamica: puoi migliorare l’assorbimento, puoi ingegnerizzare gli strati, ma alla fine la fisica ti presenta il conto. E il conto, per una tecnologia che prometteva moduli leggeri, flessibili e stampabili a basso costo, era salato. La ricerca non si è fermata: già nel 2022 dispositivi con architettura a eterogiunzione planare-mista (PMHJ) avevano raggiunto efficienze superiori al 19 per cento, riducendo la ricombinazione non-gemellata ai contatti donatore-accettore e sopprimendo di fatto la formazione di tripletti T1, senza sacrificare l’efficienza di dissociazione degli eccitoni. Un approccio diverso: invece di riciclare i tripletti, si cercava di non farli nascere proprio.

La differenza è sottile ma cruciale. Sopprimere la formazione dei tripletti significa agire a monte, progettando l’architettura del dispositivo in modo che la ricombinazione non-gemellata non abbia il tempo di rilassarsi in quello stato. Riciclarli, come propone lo studio di aprile, significa accettare che si formino – perché in determinate condizioni di offset energetico è inevitabile – ma negare che siano una perdita definitiva. Uno studio pubblicato quest’anno su PRX Energy ha aggiunto un tassello a questo quadro: le miscele binarie ottimali lavorano con un offset singoletto-CT moderato, vicino a 150 meV, e il decadimento del tripletto diventa la via di ricombinazione dominante proprio in corrispondenza di quegli offset. Il punto è che non si può eliminare del tutto il problema senza rinunciare all’efficienza di dissociazione. Allora tanto vale imparare a conviverci e, se possibile, a sfruttarlo.

Risvegliare i tripletti per superare il 21%

Il cuore del lavoro pubblicato a fine aprile sta nell’introduzione di un accettore ternario con un gap singoletto-tripletto sufficientemente stretto da permettere il passaggio degli eccitoni T1 attraverso lo stato di trasferimento di carica interfacciale. In pratica, aggiungendo questo accettore come terzo componente in sistemi ospite già noti, i ricercatori sono riusciti a recuperare le perdite mediate dai tripletti e a massimizzare il numero di portatori di carica estraibili. Non è un’operazione banale: la distribuzione degli orbitali nella molecola e la delocalizzazione dell’eccitone negli aggregati determinano se il traffico tra lo stato T1 e lo stato di trasferimento di carica a tripletto di spin sia aperto o bloccato. Lo studio ha mostrato come, nella fase condensata, questi parametri possano essere modulati attraverso il design dell’accettore, rendendo il processo controllabile.

Il risultato numerico è arrivato nelle settimane successive. All’inizio di luglio la stessa linea di ricerca, riportata dalla stampa specializzata, ha spinto l’efficienza di conversione oltre la soglia del 21%. È un valore che contestualizza da solo la portata del miglioramento: fino a pochi anni fa il 19 per cento sembrava un traguardo ambizioso, e ora si parla di due punti percentuali in più ottenuti andando a recuperare energia che prima veniva data per persa. Questo studio, ha spiegato il professor Alex Jen della City University of Hong Kong, affina il quadro scientifico sull’evoluzione degli eccitoni e dei portatori di carica nei dispositivi optoelettronici organici. Un avanzamento nella comprensione fondamentale dei meccanismi che governano queste celle, non soltanto un record da esibire.

La prospettiva, sulla carta, è allettante. Se il 90 per cento delle perdite per tripletti nella miscela PM6:Y6 è un dato ormai acquisito, e se quel 90 per cento smette di essere una zavorra e diventa una risorsa parzialmente recuperabile, l’impatto sull’efficienza complessiva potrebbe essere strutturale, non cosmetico. Certo, non tutto è recuperabile – ci sono limiti termodinamici che nessun accettore ternario può cancellare – ma il principio è stato dimostrato. E in un settore dove ogni decimale di punto percentuale costa anni di ricerca, la differenza tra il 19 e il 21 per cento non è lineare: è il segnale che il soffitto di cui si parlava nel 2021 forse non era un soffitto.

Corsa al record, ma chi venderà i pannelli?

Qui viene il punto. Tradurre questo meccanismo in un prodotto commerciabile è tutta un’altra storia. Nel frattempo la competizione non è rimasta a guardare. Già nel 2024 un altro dispositivo ternario, basato sulla combinazione D18:N3-BO:F-BTA3, aveva certificato un’efficienza record del 20,25% con una strategia opposta: sopprimere la formazione dei tripletti attraverso la riduzione del disordine dello stato di trasferimento di carica, invece che riciclarli. Due filosofie diverse, entrambe efficaci, che però lasciano aperta una domanda: quale delle due si presta meglio a un processo industriale ripetibile, su larga scala, con costi di produzione che non vanifichino il vantaggio teorico?

Il fotovoltaico organico ha sempre giocato la partita della versatilità contro il silicio: moduli leggeri, semitrasparenti, integrabili in superfici dove i pannelli rigidi non possono arrivare. Ma se per raggiungere il 21 per cento servono architetture ternarie con accettori progettati su misura e controllo fine della morfologia degli aggregati, il costo al metro quadro rischia di allontanarsi da quel target di economicità che è l’unica ragione per cui questa tecnologia esiste. La fisica ha fatto un passo avanti: ha dimostrato che i tripletti si possono risvegliare, che il 90 per cento di perdita non è una condanna, che il confine tra ciò che è recuperabile e ciò che non lo è si è spostato un po’ più in là. Adesso tocca a chi quei pannelli dovrà produrli, venderli e installarli dimostrare che il passo successivo – quello che va dal laboratorio al tetto – non è più corto di quello appena fatto.