MultiExciton Generation in tailored molecular heterojunctionS (MEGS)

Il passaggio alle fonti di energia rinnovabile è una delle sfide più urgenti del nostro tempo ed è un passo obbligato per contrastare il cambiamento climatico e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Le tecnologie delle celle solari hanno visto notevoli miglioramenti negli ultimi decenni e la capacità globale installata di energia solare sta crescendo rapidamente, suggerendo che la fotovoltaica avrà una quota significativa nella produzione di elettricità nel prossimo futuro. Attualmente il mercato delle celle solari è dominato da dispositivi a base di silicio, nei quali si stima che più del 30% della potenza solare disponibile venga persa nella termalizzazione degli eccitoni caldi generati dall'assorbimento di fotoni ad alta energia. Pertanto, grandi sforzi sono dedicati allo sviluppo di strategie per mitigare tali perdite e progettare dispositivi con maggiore efficienza. Uno degli approcci più ampiamente esaminati per questo obiettivo è la down-conversion, che si basa sulla capacità di alcuni materiali di generare due o più eccitoni a bassa energia dall'assorbimento di un singolo fotone ad alta energia, potenzialmente duplicando i portatori di carica disponibili per la generazione di corrente fotovoltaica. Alcuni composti organici, come i poliaceni e i diradicaloidi, hanno capacità di down-conversion attraverso la fissione di singoletti, ma la realizzazione di dispositivi efficienti basati su questi materiali richiede ulteriori requisiti fondamentali. In particolare, gli eccitoni tripletto dovrebbero essere sufficientemente mobili da raggiungere l'interfaccia attiva e la loro separazione e trasferimento dovrebbero essere favoriti rispetto al trasferimento di eccitoni singoletto da un giusto allineamento dei livelli energetici, per sfruttare appieno il processo di moltiplicazione delle cariche. In questo progetto ci proponiamo di studiare la dinamica di trasferimento degli eccitoni di cromofori di fissione singoletto, come poliaceni, diradicaloidi e loro derivati, in giunzioni donatore/accettore prototipiche che rappresentano il nucleo dei dispositivi fotovoltaici organici. Oltre a una maggiore sostenibilità e versatilità rispetto ai semiconduttori inorganici, i precursori molecolari offrono un maggiore grado di opportunità per modificare le proprietà elettroniche del materiale attraverso l'ingegneria chimica, il che si traduce in percorsi unici per migliorare il trasferimento di carica e la mobilità dei portatori di carica. Pianifichiamo di studiare nuovi materiali per trovare le combinazioni più promettenti per i futuri dispositivi fotovoltaici, in particolare monitorando la dinamica degli eccitoni tramite spettroscopie ottiche e di fotoemissione risolte nel tempo. Queste tecniche saranno utilizzate per quantificare i tassi di fissione dei singoletti e di trasferimento di carica, mentre una stretta collaborazione tra unità di spettroscopia e sintesi ci permetterà di adattare puntualmente le proprietà molecolari per ottimizzare le prestazioni della giunzione basandoci su tali risultati. Le nostre ricerche contribuiranno ad avanzare la conoscenza sulla moltiplicazione delle cariche nelle interfacce organiche e forniranno infine utili istruzioni per lo sviluppo di celle solari a down-conversion.

The transition to renewable energy sources is one of the most pressing challenges of our era, and is a mandatory step for curbing climate change and for lifting the dependency from fossil fuels. Solar cell technologies have seen substantial improvements over the last decades, and the global installed solar energy capacity is rapidly growing, suggesting that photovoltaics will hold a significant share in the production of electricity in the near future. The market of solar cells is currently dominated by silicon-based devices, in which it is estimated that more than 30% of the available solar power is lost in the thermalization of the hot excitons generated by the absorption of high-energy photons. Therefore, great efforts are put into developing strategies to mitigate such losses and to design devices with increased efficiency. One of the most extensively examined approaches for this aim is down-conversion, which relies on the ability of certain materials to generate two, or more, low-energy excitons from the absorption of a single high-energy photon, thus potentially duplicating the charge carriers available for photocurrent generation. Few organic compounds, such as polyacenes and diradicaloids, have down-conversion capabilities through singlet fission, but the realization of efficient devices based on these materials calls for further fundamental requirements. In particular, the triplet excitons should be mobile enough to reach the active interface, and their separation and transfer should be favored over singlet exciton transfer by a proper energy level alignment, to take full advantage of the charge multiplication process. In this project we aim at studying the exciton transfer dynamics of singlet fission chromophores, as polyacenes, diradicaloids and their derivatives, in prototypical donor/acceptor junctions that represent the core of organic photovoltaic devices. Besides higher sustainability and versatility if compared to inorganic semiconductors, molecular precursors offer a higher degree of opportunities for modifying the electronic properties of the material via chemical engineering, which results in unique pathways for enhancing charge transfer and carrier mobility. We plan to study novel materials to find the most promising combinations for future photovoltaic devices, in particular by monitoring the exciton dynamics via time-resolved optical and photoemission spectroscopies. These techniques will be used to quantify singlet fission and charge transfer rates, while a close collaboration between spectroscopy and synthesis units will allow us to punctually tailor the molecular properties for optimizing the junction performance based on such results. Our research will contribute to advance the knowledge on charge multiplication in organic interfaces, and will ultimately provide useful instructions for the development of down-conversion solar cells.