Le celle solari ibride combinano i vantaggi dei semiconduttori sia organici che inorganici. Il fotovoltaico ibrido ha materiali organici costituiti da polimeri coniugati che assorbono la luce come i fori del donatore e di trasporto. I materiali inorganici nelle cellule ibride vengono utilizzati come accettori e trasportatori di elettroni nella struttura. I dispositivi ibridi fotovoltaici hanno un potenziale non solo economico per il processo roll-to-roll ma anche per la conversione scalabile dell’energia solare.

Teoria
Le celle solari sono dispositivi che convertono la luce solare in elettricità dall’effetto fotovoltaico. Gli elettroni in una cella solare assorbono l’energia del fotone alla luce del sole che li eccita alla banda di conduzione dalla banda di valenza. Questo genera una coppia di elettroni buco, che è separata da una barriera potenziale (come una giunzione pn), e induce una corrente. Le celle solari organiche utilizzano materiali organici nei loro strati attivi. Fotovoltaico organico molecolare, polimerico e ibrido sono i principali tipi di dispositivi fotovoltaici organici attualmente studiati.

Cella solare ibrida
Nelle celle solari ibride, un materiale organico viene miscelato con un materiale di trasporto ad alto elettrone per formare lo strato fotoattivo. I due materiali sono assemblati insieme in uno strato fotoattivo di tipo etero-giunzione, che può avere una maggiore efficienza di conversione della potenza rispetto a un singolo materiale. Uno dei materiali funge da assorbitore di fotoni e donatore di eccitoni. L’altro materiale facilita la dissociazione dell’eccitone alla giunzione. La carica viene trasferita e quindi separata dopo che un eccitone creato nel donatore viene delocalizzato su un complesso donatore-accettore.

Il materiale dell’accettore necessita di un’adeguata compensazione di energia rispetto all’energia di legame dell’eccitone all’assorbitore. Il trasferimento della carica è favorevole se è soddisfatta la seguente condizione:

dove i soprascritti A e D si riferiscono rispettivamente all’accettore e al donatore, EA è l’affinità elettronica e U l’energia legante coulombata dell’eccitone sul donatore. Un diagramma di energia dell’interfaccia è mostrato in figura 1. Nei polimeri fotovoltaici comunemente usati come MEH-PPV, l’energia di legame dell’eccitone varia da 0,3 eV a 1,4 eV.

L’energia richiesta per separare l’eccitone è fornita dall’offset energetico tra i LUMO o le bande di conduzione del donatore e dell’accettore. Dopo la dissociazione, i trasportatori vengono trasportati ai rispettivi elettrodi attraverso una rete di percolazione.

La distanza media che un eccitone può diffondere attraverso un materiale prima dell’annichilimento per ricombinazione è la lunghezza di diffusione dell’eccitone. Questo è a corto di polimeri, dell’ordine di 5-10 nanometri. La scala temporale per il decadimento radiativo e non radiativo va da 1 picosecondo a 1 nanosecondo. Gli eccitoni generati in questa lunghezza vicino a un accettatore contribuirebbero alla fotocorrente.

Per affrontare il problema della lunghezza di diffusione dell’eccitone corto, viene usata una struttura di eterogiunzione di massa piuttosto che un doppio strato separato dalla fase. La dispersione delle particelle attraverso la matrice polimerica crea un’area interfacciale più ampia per il verificarsi del trasferimento di carica. La Figura 2 mostra la differenza tra un doppio strato e una eterogiunzione di massa.

Tipi di interfacce e strutture
Controllare l’interfaccia di celle solari ibride inorganico-organiche può aumentare l’efficienza delle cellule. Questa maggiore efficienza può essere ottenuta aumentando l’area superficiale interfaccia tra l’organico e l’inorganico per facilitare la separazione della carica e controllando le lunghezze e la periodicità su scala nanometrica di ciascuna struttura in modo che le cariche possano separarsi e muoversi verso l’elettrodo appropriato senza ricombinarsi. Le tre principali strutture su scala nanometrica utilizzate sono film inorganici mesoporosi infusi con strutture organiche donatrici di elettroni, alternatanti inorganico-organico e strutture di nanofili.

Film mesoporosi
Le pellicole mesoporose sono state utilizzate per una cella solare ibrida relativamente ad alta efficienza. La struttura delle celle solari mesoporose a film sottile di solito include un inorganico poroso che è saturo di tensioattivo organico. L’organico assorbe la luce e trasferisce gli elettroni al semiconduttore inorganico (di solito un ossido conduttore trasparente), che trasferisce quindi l’elettrone all’elettrodo. I problemi con queste cellule includono il loro ordinamento casuale e la difficoltà di controllare la loro struttura su scala nanometrica per promuovere la conduzione della carica.

Pellicole lamellari ordinate
Recentemente, l’uso di strati alternati di composti organici e inorganici è stato controllato attraverso l’autoassemblaggio basato su elettrodeposizione. Ciò è di particolare interesse perché è stato dimostrato che la struttura lamellare e la periodicità degli strati organici-inorganici alternati possono essere controllati attraverso la chimica della soluzione. Per produrre questo tipo di cellula con efficienze pratiche, i tensioattivi organici più grandi che assorbono più dello spettro visibile devono essere depositati tra gli strati di elettroni che accettano inorganici.

Film di nanostrutture ordinate
I ricercatori sono stati in grado di sviluppare celle solari basate su nanostrutture che utilizzano nanostrutture ordinate come nanofili o nanotubi di ambienti inorganici da parte di organismi organici donatori di elettroni che utilizzano processi di auto-organizzazione. Le nanostrutture ordinate offrono il vantaggio del trasporto diretto della carica e della separazione di fase controllata tra i materiali donatore e accettore. La morfologia a base di nanofili offre una riduzione della riflessione interna, un facile rilassamento del ceppo e una maggiore tolleranza ai difetti. La capacità di realizzare nanofili monocristallini su substrati a basso costo come il foglio di alluminio e di rilassare la deformazione negli strati successivi rimuove due ulteriori ostacoli principali associati alle celle ad alta efficienza. Vi sono stati rapidi aumenti nell’efficienza delle celle solari a base di nanofili e sembrano essere una delle tecnologie ibride solari nanometriche più promettenti.

Fattori di sfida fondamentali
L’efficienza delle celle ibride deve essere aumentata per avviare la produzione su larga scala. Tre fattori influenzano l’efficienza. In primo luogo, il bandgap dovrebbe essere ridotto per assorbire i fotoni rossi, che contengono una frazione significativa dell’energia nello spettro solare. L’attuale fotovoltaico organico ha dimostrato il 70% di efficienza quantistica per i fotoni blu. In secondo luogo, la resistenza di contatto tra ogni strato nel dispositivo deve essere ridotta al minimo per offrire un fattore di riempimento più elevato e un’efficienza di conversione dell’alimentazione. Terzo, la mobilità dei portatori di carica dovrebbe essere aumentata per consentire al fotovoltaico di avere strati attivi più spessi riducendo al minimo la ricombinazione del portatore e mantenendo bassa la resistenza in serie del dispositivo.

Tipi di celle solari ibride

Composito polimero-nanoparticelle
Le nanoparticelle sono una classe di materiali semiconduttori le cui dimensioni in almeno una dimensione vanno da 1 a 100 nanometri, nell’ordine delle lunghezze d’onda degli eccitoni. Questo controllo delle dimensioni crea il confinamento quantico e consente la messa a punto delle proprietà optoelettroniche, come il band gap e l’affinità elettronica. Le nanoparticelle hanno anche un ampio rapporto superficie / volume, che presenta più area per il trasferimento della carica.

Lo strato fotoattivo può essere creato mescolando le nanoparticelle in una matrice polimerica. I dispositivi solari basati su compositi nanoparticelle polimerici somigliano di più alle celle solari polimeriche. In questo caso, le nanoparticelle prendono il posto degli accettori a base di fullerene utilizzati nelle celle solari polimeriche completamente organiche. Le celle solari ibride basate su nanoparticelle sono un’area di interesse di ricerca perché le nanoparticelle hanno diverse proprietà che potrebbero renderle preferibili ai fullereni, come ad esempio:

I fullereni sono sintetizzati da una combinazione di un metodo ad arco ad alta temperatura e una sintesi continua di fase gas, che rende la loro produzione difficile ed energivora. La sintesi colloidale di nanoparticelle, al contrario, è un processo a bassa temperatura.

Il PCBM (un comune accettatore del fullerene) si diffonde durante i tempi lunghi o se esposto al calore, che può alterare la morfologia e ridurre l’efficienza di una cella solare polimerica. Test limitati di celle solari a nanoparticelle indicano che potrebbero essere più stabili nel tempo.

Le nanoparticelle sono più assorbenti dei fullereni, il che significa che più luce può essere assorbita teoricamente in un dispositivo più sottile.

Le dimensioni delle nanoparticelle possono influenzare l’assorbimento. Questo, combinato con il fatto che ci sono molte possibili nanoparticelle semiconduttive, consente bandg altamente personalizzabili che possono essere facilmente sintonizzati su determinate frequenze, il che sarebbe vantaggioso nelle celle solari tandem.

Le nanoparticelle di dimensioni vicine al loro raggio di Bohr possono generare due eccitoni quando vengono colpiti da un fotone sufficientemente energico.

Struttura ed elaborazione
Per i polimeri utilizzati in questo dispositivo, le mobilità dei fori sono maggiori delle mobilità degli elettroni, quindi la fase polimerica viene utilizzata per trasportare i fori. Le nanoparticelle trasportano gli elettroni all’elettrodo.

L’area interfacciale tra la fase polimerica e le nanoparticelle deve essere grande. Ciò è ottenuto disperdendo le particelle attraverso la matrice polimerica. Tuttavia, le nanoparticelle devono essere interconnesse per formare reti di percolazione per il trasporto di elettroni, che si verificano saltando gli eventi.

L’efficienza è influenzata dalle proporzioni, dalla geometria e dalla frazione di volume delle nanoparticelle. Le strutture delle nanoparticelle includono nanocristalli, nanorods e strutture iperbranched. La figura 3 contiene un’immagine di ogni struttura. Diverse strutture cambiano l’efficienza di conversione effettuando dispersione di nanoparticelle nel polimero e fornendo percorsi per il trasporto di elettroni.

La fase delle nanoparticelle è necessaria per fornire un percorso per gli elettroni per raggiungere l’elettrodo. Usando nanorods invece di nanocristalli, l’evento di saltellamento da un cristallo all’altro può essere evitato.

I metodi di fabbricazione includono la miscelazione dei due materiali in una soluzione e la sua successiva ricottura su un substrato e l’evaporazione del solvente (sol-gel). La maggior parte di questi metodi non comporta l’elaborazione ad alte temperature. La ricottura aumenta l’ordine nella fase polimerica, aumentando la conduttività. Tuttavia, la ricottura troppo a lungo fa aumentare la dimensione del dominio del polimero, rendendolo eventualmente più grande della lunghezza di diffusione dell’eccitone e, eventualmente, consentendo a parte del metallo dal contatto di diffondersi nello strato fotoattivo, riducendo l’efficienza del dispositivo.

materiale
Le nanoparticelle di semiconduttori inorganici utilizzate nelle cellule ibride includono CdSe (dimensioni comprese tra 6 e 20 nm), ZnO, TiO e PbS. Polimeri comuni usati come materiali fotografici hanno una coniugazione estesa e sono anche idrofobi. La loro efficienza come materiale fotografico è influenzata dalla posizione del livello HOMO e dal potenziale di ionizzazione, che influenza direttamente la tensione a circuito aperto e la stabilità nell’aria. I polimeri più comuni utilizzati sono P3HT (poli (3-esiltiofene)) e M3H-PPV (poli [2-metossi, 5- (2′-etil-esilossi) -p-fenilenevinilene)]). P3HT ha una banda proibita di 2.1 eV e M3H-PPV ha una banda proibita di ~ 2.4 eV. Questi valori corrispondono al bandgap di CdSe, 2.10 eV. L’affinità elettronica di CdSe varia da 4,4 a 4,7 eV. Quando il polimero utilizzato è MEH-PPV, che ha un’affinità elettronica di 3,0 eV, la differenza tra le affinità degli elettroni è grande abbastanza da guidare il trasferimento di elettroni dal CdSe al polimero. CdSe ha anche una elevata mobilità elettronica (600 cm ² · V ^-1 · s ^-1 ).

Valori di prestazione
La massima efficienza dimostrata è del 3,2%, basata su un donatore di polimero PCPDTBT e un accettore di nanoparticelle CdSe. Il dispositivo mostrava una corrente di cortocircuito di 10,1 mA • cm-2, una tensione a circuito aperto di 0,18 V e un fattore di riempimento di 0,51.

Le sfide
Le celle solari ibride richiedono maggiore efficienza e stabilità nel tempo prima che la commercializzazione sia fattibile. Rispetto al 2,4% del sistema CdSe-PPV, i fotodispositivi al silicio hanno efficienze di conversione dell’energia superiori al 20%.
I problemi includono il controllo della quantità di aggregazione di nanoparticelle quando le forme del fotolito. Le particelle devono essere disperse per massimizzare l’area dell’interfaccia, ma devono essere aggregate per formare reti per il trasporto degli elettroni. La formazione della rete è sensibile alle condizioni di fabbricazione. I percorsi del vicolo cieco possono impedire il flusso. Una possibile soluzione consiste nell’implementare eterogiunzioni ordinate, in cui la struttura è ben controllata.

Le strutture possono subire cambiamenti morfologici nel tempo, cioè la separazione di fase. Alla fine, la dimensione del dominio del polimero sarà maggiore della lunghezza di diffusione del vettore, il che riduce le prestazioni.

Anche se la nanoparticella a banda proibita può essere sintonizzata, deve essere abbinata al polimero corrispondente. Il bandgap 2.0 eV di CdSe è più grande di un bandgap ideale di 1,4 per l’assorbanza della luce.

Le nanoparticelle coinvolte sono tipicamente colloidi, che sono stabilizzati in soluzione dai ligandi. I ligandi riducono l’efficienza del dispositivo perché fungono da isolanti che impediscono l’interazione tra donatore e accettore di nanoparticelle, oltre a ridurre la mobilità degli elettroni. Alcuni, ma non il pieno successo, sono stati ottenuti scambiando i ligandi iniziali con la piridina o con un altro ligando a catena corta.

Le celle solari ibride mostrano proprietà del materiale inferiori a quelle dei semiconduttori di silicio di massa. Le mobilità dei carrier sono molto più piccole di quelle del silicio. La mobilità elettronica nel silicio è 1000 cm ² · V ^-1 · s ^-1 , rispetto a 600 cm ² · V ^-1 · s ^-1 in CdSe, e meno di 10 cm ² · V ^-1 · s^-1 in altri quantum punti materiali. La mobilità del foro in MEH-PPV è 0,1 cm ² · V ^-1 · s ^-1 , mentre nel silicio è 450 cm ² · V ^-1 · s ^-1 .

Nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio (CNT) hanno un’elevata conduttività elettronica, elevata conduttività termica, robustezza e flessibilità. Sono stati dimostrati display di emissione sul campo (FED), sensori di deformazione e transistor a effetto di campo (FET) utilizzando CNT. Ogni applicazione mostra il potenziale dei CNT per dispositivi su scala nanometrica e per applicazioni elettroniche flessibili.Anche le applicazioni fotovoltaiche sono state esplorate per questo materiale.

Principalmente, i CNT sono stati utilizzati come impurità del mezzo di trasporto dell’eccitone fotoindotto in uno strato fotovoltaico a base polimerica o come strato fotoattivo (conversione fotone-elettrone). Il CNT metallico è preferito per la prima applicazione, mentre il CNT semiconduttore è preferito per la versione successiva.

Mezzo di trasporto efficiente per il trasporto
Per aumentare l’efficienza fotovoltaica, è necessario aggiungere impurità che accettano l’elettrone nella regione fotoattiva. Incorporando CNT nel polimero, la dissociazione della coppia di eccitoni può essere ottenuta dalla matrice CNT. L’elevata superficie (~ 1600 m ² / g) dei CNT offre una buona opportunità per la dissociazione degli eccitoni. I portatori separati all’interno della matrice CNT polimero vengono trasportati dalle vie percolanti dei CNT adiacenti, fornendo i mezzi per un’elevata mobilità della portante e un trasferimento efficiente della carica. I fattori di prestazione del fotovoltaico ibrido CNT-polimero sono bassi rispetto a quelli del fotovoltaico inorganico. SWNT nel polimero a semiconduttore P3OT ha dimostrato una tensione a circuito aperto (V _oc ) inferiore a 0,94 V, con corrente di cortocircuito (I _sc ) di 0,12 mA / cm ² .

Le nanoparticelle di metallo possono essere applicate all’esterno dei CNT per aumentare l’efficienza di separazione degli eccitoni. Il metallo fornisce un campo elettrico più elevato all’interfaccia polimero CNT, accelerando i portatori di eccitoni per trasferirli più efficacemente alla matrice CNT. In questo caso, V _oc = 0,3396 V e I _sc = 5,88 mA / cm ² . Il fattore di riempimento è 0,3876% e il fattore di conversione luce bianca 0,775%.

Strato di matrice fotoattiva
Il CNT può essere utilizzato come dispositivo fotovoltaico non solo come materiale aggiuntivo per aumentare il trasporto del vettore, ma anche come lo strato fotoattivo stesso. Il CNT a parete singola semiconduttore (SWCNT) è un materiale potenzialmente interessante per le applicazioni fotovoltaiche per le proprietà strutturali ed elettriche uniche. SWCNT ha un’elevata conduttività elettrica (100 volte quella del rame) e mostra un trasporto balistico portante, riducendo notevolmente la ricombinazione del portatore. La banda proibita del SWCNT è inversamente proporzionale al diametro del tubo, il che significa che SWCNT può mostrare bande multiple dirette corrispondenti allo spettro solare.

È stato dimostrato un forte campo elettrico incorporato in SWCNT per la separazione efficiente di coppie elettrone-foro fotogenerate utilizzando due elettrodi metallici asimmetrici con funzioni di lavoro alte e basse. La tensione a circuito aperto (Voc) è 0,28 V, con corrente di cortocircuito (Isc) 1,12 nA • cm-2 con una sorgente luminosa incidente di 8,8 W • cm-2. Il fattore di conversione della luce bianca risultante è dello 0,8%.

Le sfide
Diverse sfide devono essere affrontate per CNT da utilizzare nelle applicazioni fotovoltaiche. CNT degrada gli straordinari in un ambiente ricco di ossigeno. Lo strato di passivazione richiesto per prevenire l’ossidazione del CNT può ridurre la trasparenza ottica della regione dell’elettrodo e abbassare l’efficienza fotovoltaica.

Le sfide come mezzo di trasporto di vettore efficiente
Ulteriori sfide riguardano la dispersione di CNT all’interno dello strato fotoattivo polimerico. Il CNT deve essere ben disperso all’interno della matrice polimerica per formare percorsi di trasferimento della carica efficienti tra gli eccitoni e l’elettrodo

Sfide come strato di matrice fotoattiva
Le sfide di CNT per lo strato fotoattivo includono la sua mancanza di capacità di formare una giunzione pn, a causa della difficoltà di drogare determinati segmenti di un CNT. (Una giunzione pn crea un potenziale intrinseco interno, fornendo un percorso per una separazione efficiente della portante all’interno del fotovoltaico.) Per superare questa difficoltà, la piegatura della banda di energia è stata effettuata mediante l’uso di due elettrodi di diverse funzioni di lavoro. Un forte campo elettrico incorporato che copre l’intero canale SWCNT è stato creato per la separazione dei trasportatori ad alta efficienza. Il problema dell’ossidazione con CNT è più critico per questa applicazione. I CNT ossidati tendono a diventare più metallici e quindi meno utili come materiale fotovoltaico.

Dye-sensitized
Le celle solari sensibilizzate dai colori sono costituite da un anodo foto-sensibilizzato, un elettrolita e un sistema fotoelettrochimico. Le celle solari ibride basate su celle solari sensibilizzate sono formate con materiali inorganici (TiO2) e materiali organici.

materiale
Le celle solari ibride basate su celle solari sensibilizzate sono fabbricate con materiali inorganici e materiali organici assorbiti dal colorante. Il TiO2 è il materiale inorganico preferito poiché questo materiale è facile da sintetizzare e agisce come un semiconduttore di tipo n a causa delle offerte di ossigeno simili a quelle del donatore. Tuttavia, la titania assorbe solo una piccola frazione dello spettro UV. Sensibilizzatori molecolari (molecole coloranti) attaccati alla superficie del semiconduttore vengono utilizzati per raccogliere una porzione maggiore dello spettro. Nel caso delle celle solari sensibilizzate con tintura di titania, un fotone assorbito da uno strato di molecola sensibilizzante colorante induce l’iniezione di elettroni nella banda di conduzione di titania, con conseguente flusso di corrente. Tuttavia, la lunghezza di diffusione breve (diffusività, Dn≤10-4cm2 / s) nelle celle solari sensibilizzate con tintura di titania diminuisce l’efficienza di conversione da solare ad energia. Per migliorare la lunghezza della diffusione (o la durata del portatore), una varietà di materiali organici è attaccata alla titania.

Schema di fabbricazione
Cellula fotoelettrochimica colorante sensibilizzata (cella di Grätzel)
Le nanoparticelle di TiO ₂ sono sintetizzate in diverse decine di scale nanometriche (~ 100 nm). Per realizzare una cella fotovoltaica, i sensibilizzatori molecolari (molecole coloranti) sono attaccati alla superficie della titania. La titania assorbita dal colorante è infine racchiusa da un elettrolita liquido.Questo tipo di cella solare sensibilizzata alla tintura è anche nota come cella di Grätzel. La cella solare sensibilizzata dai colori ha uno svantaggio di una breve lunghezza di diffusione.Recentemente, sono stati studiati sensibilizzanti supermolecolari o multifunzionali in modo da migliorare la lunghezza di diffusione del veicolo. Ad esempio, un cromoforo colorante è stato modificato dall’aggiunta di donatori di elettroni secondari. Portatori di minoranza (fori in questo caso) diffusi ai donatori di elettroni collegati per ricombinarli. Pertanto, la ricombinazione elettrone-lacuna viene ritardata dalla separazione fisica tra la porzione di colorante e la superficie di TiO2, come mostrato in Fig. 5. Infine, questo processo aumenta la lunghezza di diffusione del vettore, determinando l’aumento della durata della portante.

Cella solare sensibilizzata a tintura allo stato solido
I materiali mesoporosi contengono pori con diametri compresi tra 2 e 50 nm. Per la realizzazione di celle fotovoltaiche è possibile utilizzare una pellicola mesoporosa sensibile alla tintura di TiO2 e questa cella solare è definita “cella solare sensibilizzata a colorante solido”. I pori in film sottile di TiO2 mesoporosi sono riempiti con un materiale conduttore di fori solidi come semiconduttori di tipo p o materiale organico conduttore di fori. Sostituire l’elettrolito liquido nelle celle di Grätzel con un solido materiale di trasporto della carica può essere utile. Il processo di generazione e ricombinazione elettrone-buco è lo stesso delle cellule di Grätzel. Gli elettroni vengono iniettati dal colorante fotoeccitato nella banda di conduzione di titania e i fori vengono trasportati da un elettrolita di trasporto a carica solido a un elettrodo. Molti materiali organici sono stati testati per ottenere un’elevata efficienza di conversione da solare ad energia in celle solari sintetizzate con coloranti a base di film sottile di mesoporosa titania.

Fattori di efficienza
I fattori di efficienza dimostrati per le celle solari sensibilizzate dalla tintura sono

parametri	Tipi di celle solari sensibilizzate a coloranti
	Cella di Grätzel	Stato solido
Efficienza (%)	~ 10-11	~ 4
V oc (V)	~ 0,7	~ 0.40
J sc (mA / cm 2 )	~ 20	~ 9,10
Fattore di riempimento	~ 0,67	~ 0.6

Le sfide
Gli elettroliti organici liquidi contengono iodio altamente corrosivo, con conseguenti problemi di perdite, tenuta, manipolazione, desorbimento dei coloranti e manutenzione. Molta attenzione è ora focalizzata sull’elettrolito per risolvere questi problemi.

Per le celle solari sensibilizzate con colorante allo stato solido, la prima sfida proviene da strutture mesoporose di titania disordinata. Le strutture titaniche mesoporose dovrebbero essere fabbricate con strutture di titania ben ordinate di dimensioni uniformi (~ 10 nm). La seconda sfida viene dallo sviluppo dell’elettrolita solido, che è necessario per avere queste proprietà:

L’elettrolita deve essere trasparente allo spettro visibile (gap di banda larga).
La fabbricazione dovrebbe essere possibile per depositare l’elettrolito solido senza degradare lo strato di molecole del colorante su titania.

Il LUMO della molecola del colorante dovrebbe essere più alto della banda di conduzione di titania.

Diversi semiconduttori di tipo p tendono a cristallizzare all’interno delle pellicole di titania mesoporose, distruggendo il contatto tra la molecola e la titania. Pertanto, l’elettrolito solido deve essere stabile durante il funzionamento.

Nanostrutturati inorganici: piccole molecole
Nel 2008, gli scienziati sono stati in grado di creare una struttura lamellare nanostrutturata che fornisce una progettazione ideale per le celle solari di eterogiunzione di massa. La struttura osservata è composta da ZnO e piccole molecole organiche conduttrici, che si riuniscono in strati alternati di componenti organici e inorganici. Questa struttura altamente organizzata, che è stabilizzata dall’impilamento π-π tra le molecole organiche, consente di condurre percorsi sia negli strati organici che inorganici. Gli spessori degli strati (circa 1-3 nm) sono ben all’interno della lunghezza di diffusione dell’eccitone, che minimizza idealmente la ricombinazione tra i portatori di carica. Questa struttura massimizza anche l’interfaccia tra lo ZnO inorganico e le molecole organiche, che consente un’alta densità di carico del cromoforo all’interno della struttura. A causa della scelta dei materiali, questo sistema è atossico ed ecologico, a differenza di molti altri sistemi che utilizzano piombo o cadmio.

Sebbene questo sistema non sia stato ancora incorporato in un dispositivo fotovoltaico, le misure preliminari di fotoconduttività hanno dimostrato che questo sistema esibisce tra i più alti valori misurati per fotoconduttori di silicio organico, ibrido e amorfo e, quindi, promette di creare efficienti dispositivi ibridi fotovoltaici.