In una cella solare, quando la luce del sole colpisce il materiale, viene generata una carica. Nello specifico, questa carica corrisponde a una coppia elettrone-lacuna, dove un elettrone è eccitato alla banda di conduzione, lasciando un buco nella banda di valenza. Affinché le cellule siano efficienti, questa coppia di cariche deve essere separata ed estratta nel modo più efficiente possibile (elettrone e foro devono essere diretti ad elettrodi opposti per essere catturati) per generare una corrente elettrica. È qui che entra in gioco la ferroelettricità:questa proprietà genererebbe un campo elettrico incorporato nel materiale che potrebbe favorire la separazione di carica.

Nel caso particolare delle perovskiti ad alogenuri di piombo, la ferroelettricità potrebbe aiutare a capire perché funzionano così bene come materiale attivo nelle celle solari, e infatti, questa era una spiegazione plausibile finora. Però, lo studio pubblicato su Scienze energetiche e ambientali dai ricercatori dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB-CSIC) e dell'Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Germania) dimostrano, per la prima volta, che il fatto che questi materiali siano ottimali per le celle solari non è dovuto alla ferroelettricità. "Questo lavoro è molto interessante per capire perché queste cellule sono così efficienti, "dice Andrés Gómez, ricercatore presso ICMAB-CSIC e primo autore dell'articolo. Dovremo continuare a cercare la risposta finale.

Il segreto:la nuova tecnica utilizzata

La tecnica utilizzata per chiarire la non ferroelettricità delle perovskiti ad alogenuri di piombo è la tecnica DPFM (microscopia a forza piezoelettrica diretta). Una domanda di brevetto che descrive la caratterizzazione della tecnica è stata depositata nel 2017 dai ricercatori ICMAB-CSIC. "Finora esisteva solo una modalità avanzata di microscopia a forza atomica (AFM) chiamata microscopia a forza piezorisposta (PFM) per studiare la ferroelettricità di questi campioni. Tuttavia, questa modalità ha causato molte polemiche, in quanto non è abbastanza affidabile distinguere tra un materiale ferroelettrico e uno che non lo è. Sebbene sia possibile misurare la ferroelettricità con PFM, altri effetti possono dare un falso segnale, ottenere risultati errati, " spiega Gomez.

Però, la tecnica DPFM, presentato nel 2017 all'ICMAB-CSIC, complementare a PFM, misura l'effetto piezoelettrico in modo diretto e permette di discernere chiaramente se un campione è ferroelettrico o meno. La tecnica non produce segnali spuri, poiché esclude molti artefatti di misura in quanto tramite l'effetto piezoelettrico un'energia meccanica viene direttamente convertita in energia elettrica in modo strettamente proporzionale. Questo fatto è fondamentale per poter esaminare l'esistenza di ferroelettricità nelle perovskiti ad alogenuri di piombo, una questione che è stata dibattuta per diversi anni.

Per questo studio, sono stati analizzati campioni policristallini di perovskiti ad alogenuri di piombo e campioni di altri materiali con ferroelettricità nota utilizzati come controllo, ed esperimenti sono stati condotti con perovskiti con proprietà diverse (granulometria, spessore dello strato, substrati diversi, diverse trame, ecc.) utilizzando PFM e DPFM, e persino EFM (microscopia a forza elettrostatica).

Questa è la prima volta che la tecnica DPFM è stata utilizzata nelle celle solari a perovskite ad alogenuri di piombo. "Nessun altro gruppo di ricerca è stato in grado, con risoluzione nanometrica, per chiarire se queste cellule sono davvero ferroelettriche o no, " dice Gómez. Ora lo sappiamo.