Osservato il “ big – bang ” della luce che si trasforma in elettricità

Un film svela in tempo reale i primissimi istanti della conversione della luce in corrente elettrica in una cella fotovoltaica organica. Lo studio, condotto dall'Istituto nanoscienze e dall'Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr,
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fotogrammi della simulazione quantistica della conversione luce-corrente in una cella
fotovoltaica organica – composta da catene di polimero e molecole di fullerene. La ‘nuvola’ chiara
illustra le oscillazioni di un elettrone dopo che la luce solare è assorbita al tempo zero. Il trasferimento
di carica dal polimero al fullerene avviene tramite oscillazioni che danno avvio al processo
fotovoltaico. La scala dei tempi è quella dei femto-secondi (0.000000000000001 secondi), le
dimensioni sono di circa due nanometri (0.000000001 metri).

Come inizia il processo di trasformazione della luce del sole in corrente elettrica in una cella
solare  organica?  La  risposta  arriva  da  gruppo  di  ricercatori  del  Consiglio nazionale  delle
ricerche (Cnr) che ne ha realizzato un filmato in tempo reale, su una scala senza precedenti:
milionesimi di miliardesimi di secondo. Lo studio, condotto dall’Istituto nanoscienze del Cnr
a  Modena  (Nano-Cnr)  e  dall’Istituto  di  fotonica  e  nanotecnologie  (Ifn-Cnr)  a  Milano, dimostra  che  i  primissimi  istanti  della  foto-conversione  sono  governati  dalla  natura quantistica  di  elettroni  e  nuclei,  coinvolti  in  oscillazioni  coerenti  in  tempi  ultra-veloci. La ricerca,  pubblicata  sulla  rivista Science,  è  condotta  in  collaborazione  con  Politecnico  di Milano, Università di Modena e Reggio Emilia e con colleghi tedeschi, francesi e spagnoli.
Più  economiche  e  versatili  dei  rigidi  pannelli  solari  al  silicio,  le  celle  solari  organiche vengono  indicate  tra  le tecnologie  chiave  per  la  produzione  sostenibile  e  pulita  di  energia rinnovabile. “Al  loro  interno  sono  presenti  dei  polimeri  che  assorbono  la  luce  mettendo  in movimento  elettroni”,  spiega  Carlo  Andrea  Rozzi  di  Nano-Cnr, “e  delle  macro-molecole
formate  da  60  atomi  di  carbonio,  note  come  Fullereni,  che  raccolgono  carica  elettrica.  Ci siamo proposti di capire come si innesca tra le due molecole il trasferimento di elettroni che dà  luogo  alla  corrente”.  “Un  fenomeno  che  avviene  a  velocità  talmente  sbalorditive da renderlo fino ad ora sperimentalmente inaccessibile”, aggiunge Giulio Cerullo del Politecnico
di Milano e di Ifn-Cnr. “Ora, finalmente, siamo in grado di osservarlo e catturarne i singoli fotogrammi  grazie  a  flash  di  luce  laser  ultraveloci,  una  tecnologia  sviluppata  presso  il Dipartimento di Fisica del Politecnico”. Per  studiare  cosa  accade  in  un  tempo  di poche  decine  di  femtosecondi  (milionesimi  di miliardesimo di secondi!) i ricercatori hanno combinato gli esperimenti di spettroscopia laser ultraveloce,  coordinati  da  Giulio  Cerullo,  con  una  serie  di  simulazioni  al  calcolatore, coordinate  da  Carlo  Andrea  Rozzi. “Abbiamo  simulato  la  dinamica  del  trasferimento  di elettroni tra polimero e fullerene tenendo conto della natura quantistica della materia” spiega Elisa  Molinari,  fisica  dell’Università  di  Modena  e  Reggio  Emilia  e  direttrice  del  polo
modenese  di  Nano-Cnr. “Il  filmato  che  otteniamo  è  sorprendente.  Calcoli  ed  esperimenti indicano che il big-bang dell’intero processo di fotoconversione avviene grazie l’oscillazione coordinata  di  elettroni  e  nuclei  atomici,  un  comportamento  che  i  fisici  chiamano  coerenza quantistica, senza il quale non si darebbe avvio al trasferimento di carica e non si otterrebbe
nessuna  corrente  elettrica. Crediamo  che  questi  risultati  potranno  guidare  la  costruzione  di nuove  materiali  artificiali  capaci  di  convertire  la  luce  solare  in  energia  con  la  massima efficienza”.

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