Il Sole irradia la Terra con luce di tutti i colori; a ogni colore corrisponde un fotone (un quanto di radiazione) con diversa energia. Ogni fotone potrebbe essere raccolto per produrre energia elettrica e attivare reazioni chimiche. Le tecnologie fotovoltaiche e fotocatalitiche attualmente in uso sono in grado in realtà di sfruttarne solo una piccola porzione e, nel migliore dei casi, arrivano a raccogliere solo due terzi dei fotoni disponibili.
Per rendere più efficienti questi dispositivi, come ad esempio le celle solari, è necessario sfruttare dei processi che consentano di recuperare la “luce sprecata”. Per risolvere questo problema, il gruppo di Spettroscopia Avanzata di Nanomateriali Funzionali del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano – Bicocca guidato dai professori Sergio Brovelli, Francesco Meinardi e Angelo Monguzzi, ha sviluppato una nuova classe di nanocristalli fluroescenti in cui vengono inseriti pochi atomi di oro e sono “decorati” con cromofori organici. Essi sono in grado di assorbire e manipolare lo spettro solare, trasformando una frazione dei fotoni sprecati i in modo che possano essere utilizzati dai dispositivi. I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati su Advanced Materials (Impact factor 27.398 - 2019 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2019)) con una comunicazione dal titolo "High Photon Upconversion Efficiency with Hybrid Triplet Sensitizers by Ultrafast Hole-Routing in Electronic-Doped Nanocrystals" (doi: 10.1002/adma.202002953).
Come è possibile trasformare la luce del sole con questo sistema?
Abbiamo, in pratica, progettato un sistema multicomponente ad alta efficienza in grado di catturare i fotoni sprecati a bassa energia e di convertirli in fotoni ad alta energia che vengono poi sfruttati nel dispositivo - spiega Monguzzi.- Questa trasformazione prende il nome di photon upconversion e funziona - grazie all’interazione tra due oggetti: un’antenna, costituita da un nanocristallo a semiconduttore, che cattura l’energia solare, ed un convertitore/emettitore, che riceve l’energia dall’antenna e genera i fotoni ad alta energia.
Qual è il punto chiave del processo?
È di sicuro il trasferimento dell’energia tra antenna e convertitore - continua Brovelli. - Per massimizzarne l’efficienza, i nanocristalli a semiconduttore assorbitori di luce sono stati modificati introducendo delle impurezze di oro, sotto forma di “quantum clusters”, in grado di funzionare da ponte energetico tra il nanocristallo stesso e i convertitori sfruttando meccanismi ultraveloci che avvengono su scale temporali velocissime, inferiori al milionesimo di milionesimo di secondo (picosecondi), e quindi estremamente efficienti.
I nanocristalli drogati con quantum cluster di oro possono essere usati per altre applicazioni?
Il funzionamento di questo meccanismo per catturare e trasportare energia all’interfaccia tra materiale inorganico e organico - conclude Meinardi - si basa su concetti assolutamente generali, che potranno portare allo sviluppo di nuovi nanomateriali ibridi da impiegare anche in altri campi della fotonica e dell’optoelettronica, per esempio per produrre nuovi markers per bio-imaging e nuovi sensori, o della fotochimica.