Il gruppo delle cosiddette perovskiti ad alogenuri metallici come materiali ha rivoluzionato il campo del fotovoltaico negli ultimi anni. Parlando in generale, le perovskiti ad alogenuri metallici sono materiali cristallini che seguono la struttura ABX ₃ , con composizione variabile. Qui, UN, B, e X può rappresentare una combinazione di diversi ioni organici e inorganici. Questi materiali hanno una serie di proprietà ideali per l'uso nelle celle solari e potrebbero aiutare a realizzare dispositivi optoelettronici come laser, diodi emettitori di luce (LED), o fotorivelatori molto più efficienti. Per quanto riguarda lo sviluppo di una tecnologia efficiente in termini di risorse ed energia, la rilevanza della ricerca su questi materiali è molto alta.

Le proprietà vantaggiose delle perovskiti ad alogenuri metallici includono la loro elevata capacità di raccolta della luce e la loro notevole capacità di convertire in modo efficiente l'energia solare in energia elettrica. Un'altra caratteristica speciale di questi materiali è che sia i portatori di carica che gli ioni sono mobili al loro interno. Mentre il trasporto di portatori di carica è un processo fondamentale richiesto per il funzionamento fotovoltaico della cella solare, i difetti ionici e il trasporto ionico hanno spesso conseguenze indesiderabili sulle prestazioni di questi dispositivi. Nonostante i notevoli progressi in questo campo di ricerca, rimangono aperte molte domande riguardanti la fisica degli ioni nei materiali perovskite.

Sulla strada per una migliore comprensione di queste strutture, le Università Tecniche di Chemnitz e Dresda hanno fatto un grande passo avanti. In un'indagine congiunta dei gruppi di ricerca attorno al Prof. Dr. Yana Vaynzof (Chair of Emerging Electronic Technologies presso l'Institute of Applied Physics e Center for Advancing Electronics Dresden—cfaed, TU Dresden) e il Prof. Dr. Carsten Deibel (Ottica e Fotonica della Materia Condensata, Chemnitz University of Technology) sotto la guida della Chemnitz University of Technology, le due squadre hanno scoperto il paesaggio del difetto ionico nelle perovskiti ad alogenuri metallici. Sono stati in grado di identificare le proprietà essenziali degli ioni che compongono questi materiali. La migrazione degli ioni porta alla presenza di difetti nel materiale, che hanno un effetto negativo sull'efficienza e sulla stabilità delle celle solari a perovskite. I gruppi di lavoro hanno scoperto che il movimento di tutti gli ioni osservati, nonostante le loro diverse proprietà (come la carica positiva o negativa), segue un meccanismo di trasporto comune e consente anche l'assegnazione di difetti e ioni. Questa è nota come regola di Meyer-Neldel. I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

"Sondare il panorama dei difetti ionici dei materiali perovskite non è un compito semplice, "dice Sebastian Reichert, assistente di ricerca presso la cattedra di ottica e fotonica della materia condensata presso la Chemnitz University of Technology e autore principale della pubblicazione. "Avevamo bisogno di eseguire un'ampia caratterizzazione spettroscopica su campioni di perovskite in cui i difetti sono stati introdotti intenzionalmente e il loro tipo e densità sono stati gradualmente sintonizzati. Pertanto, l'esperienza di entrambe le squadre è stata inestimabile, " spiega Reichert. Chiarire i meccanismi di trasporto di base

"Uno dei risultati più importanti del nostro studio è l'intricata interazione tra i paesaggi ionici ed elettronici nei materiali di perovskite, " aggiunge il prof. Vaynzof, "Cambiando la densità dei vari difetti ionici nei materiali perovskite, osserviamo che il potenziale incorporato e la tensione a circuito aperto dei dispositivi sono interessati." Ciò evidenzia che l'ingegneria dei difetti è un potente strumento per migliorare le prestazioni delle celle solari perovskite oltre lo stato dell'arte.

Lo studio congiunto ha anche scoperto che tutti i difetti ionici soddisfano la cosiddetta regola di Meyer-Neldel. "Questo è molto eccitante poiché rivela informazioni fondamentali sui processi di salto degli ioni nelle perovskiti, ", afferma il Prof. Deibel. "Attualmente abbiamo due ipotesi sull'origine di questa osservazione e abbiamo intenzione di indagare su quelle nei nostri studi futuri".