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1) LE CELLE SOLARI IBRIDE

Le celle ibride sono il principale tipo di celle solari organiche su cui oggi si fa ricerca, e combinano i vantaggi degli innovativi semiconduttori organici con quelli dei classici semiconduttori inorganici. Nelle celle solari tradizionali, cioè quelle al silicio cristallino, si usano due strati di semiconduttori, uno con eccesso di elettroni (strato n) e uno con eccesso di "lacune" (strato p): quando gli elettroni della cella assorbono un fotone di luce, si genera una coppia "lacuna-elettrone" che induce un flusso di corrente. Il fotovoltaico ibrido - ad es. del tipo "polimero-nanoparticelle" - utilizza, al posto della "giunzione p-n" fra gli strati p ed n, una giunzione fra uno strato di polimeri organici e uno strato di materiali inorganici per assorbire la luce e per trasportare gli elettroni, e dunque la corrente. La giunzione viene creata assemblando su una matrice polimerica delle nanoparticelle di semiconduttore inorganico, secondo una geometria che massimizza l'efficienza del dispositivo, attualmente intorno ad appena il 2-3%.






2) LE CELLE A PIGMENTI SENSIBILI (O DYE-SENSITIZED)

Le celle "a pigmenti sensibili" (note in inglese come dye-sensitized) - dette anche celle di Gratzel dal nome del chimico svizzero che le ha inventate nel 1991, o celle fotoelettrochimiche - sono un particolare tipo di celle fotovoltaiche ibride che usano un pigmento organico colorato (dye) per assorbire la luce e creare una coppia elettrone-lacuna, come conduttore delle lacune impiegano un elettrolita liquido, mentre il conduttore di elettroni è costituito da uno strato semiconduttore di ossido metallico nanoporoso. Queste celle, che appartengono al gruppo delle celle a film sottile ma hanno un'efficienza più bassa, si caratterizzano per il costo molto basso e per la semplicità dell'apparato necessario per produrle. Poiché l'uso di un elettrolita liquido impone l'uso di un sigillante per contenere il liquido in un film sottile, una possibile alternativa è sostituirlo con nanopolimeri conduttori, il che consente di realizzare una vernice meno efficiente ma utilizzabile su vari materiali flessibili e non con un processo di stampa.   




3) MIGLIORARE L'EFFICIENZA CON I "QUANTUM DOTS"

In parte, i ricercatori hanno migliorato le prestazioni delle celle solari ibride "regolando" le proprietà dei nanomateriali in modo tale da fargli svolgere al meglio una particolare applicazione, come ad es. l'assorbimento della luce. Quando la dimensione di un materiale diventa comparabile con l'estensione spaziale degli elettroni che lo occupano, tali materiali esibiscono effetti di "confinamento quantistico": in pratica, proprietà ottiche ed elettriche particolari. Per esempio, certi nanocristalli semiconduttori inorganici permettono di assorbire fotoni di luce di bassa energia (ad es. luce ultravioletta) e di convertirli in qualche modo in fotoni di energia più alta, in grado di dar luogo al normale processo fotovoltaico che si svolge in una cella polimerica. I materiali con tali proprietà sono comunemente noti come "punti quantici" (o quantum dots), a indicare che sono confinati dal punto di vista quantistico in tre dimensioni. L'utilizzo dei nanomateriali quantistici permette, quindi, di migliorare l'efficienza di una cella.  






4) L'EVOLUZIONE DELLE CELLE POLIMERICHE 

L'attenzione dei ricercatori a caccia di alternative alle celle solari tradizionali si è da tempo focalizzata sulle celle polimeriche, o "plastiche", sviluppate fin dagli anni Settanta, quando sono emersi i polimeri conduttori. Tuttavia, le proprietà elettriche e ottiche di tali polimeri non erano comparabili con quelle dei classici materiali semiconduttori cristallini usati nelle comuni celle al silicio, perciò inizialmente le prestazioni sono state molto scarse, specie riguardo l'efficienza. Fortunatamente, in seguito sono stati prodotti una varietà di nanomateriali - materiali che hanno almeno una dimensione misurata sulla nanoscala, o 10^-9 metri - che hanno permesso significativi miglioramenti nelle celle polimeriche. Così, oggi l'interesse degli scienziati va soprattutto alle celle polimeriche organiche - cioè basate sul carbonio - e, in particolare, agli approcci ibridi, in cui dei nanomateriali semiconduttori fotoattivi inorganici vengono introdotti in celle FV basate su una sottile pellicola polimerica organica che fa da matrice.




5) LE CELLE ORGANICHE

Le celle fotovoltaiche organiche sono celle solari che utilizzano polimeri organici (cioè lunghe molecole basate sul carbonio) oppure piccole molecole organiche al posto dei semiconduttori inorganici, per l'assorbimento della luce ed il trasporto della carica. Ciò permette di combinare la caratteristica flessibilità delle molecole organiche con un substrato altrettanto flessibile quale la plastica, che ha bassi costi di produzione. Il coefficiente di assorbimento di luce delle molecole organiche risulta elevato, perciò una grande quantità di luce può essere assorbita con una piccola quantità di materiale. Ciò consente un abbattimento dei costi, senza però aumento di efficienza. Gli svantaggi delle celle organiche sono, in effetti, costituiti proprio dalla bassa efficienza (circa il 3-6%), ma anche dalla bassa stabilità (per quanto riguarda ossidazione, riduzione, ricristallizzazione e variazioni di temperatura, che possono degradare il dispositivo nel tempo) e dalla bassa robustezza rispetto alle celle inorganiche. 

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