Le perovskiti organiche-inorganiche ibride hanno già dimostrato elevate efficienze fotovoltaiche superiori al 25%. La saggezza prevalente nel campo è che le molecole organiche (contenenti carbonio e idrogeno) nel materiale sono cruciali per ottenere queste prestazioni impressionanti perché si ritiene che sopprimono la ricombinazione del vettore assistita da difetti.

Una nuova ricerca nel dipartimento dei materiali dell'UC Santa Barbara ha dimostrato non solo che questa ipotesi è errata, ma anche che i materiali completamente inorganici hanno il potenziale per superare le perovskiti ibride. I risultati sono pubblicati nell'articolo "Perovskiti ad alogenuri completamente inorganici come candidati per celle solari efficienti, " che appare sulla copertina del numero del 20 ottobre della rivista Cell Report Scienze fisiche .

"Per confrontare i materiali, abbiamo eseguito simulazioni complete dei meccanismi di ricombinazione, " ha spiegato Xie Zhang, ricercatore capo dello studio. "Quando la luce brilla su un materiale di celle solari, le portanti fotogenerate generano una corrente; la ricombinazione ai difetti distrugge alcuni di quei vettori e quindi riduce l'efficienza. I difetti agiscono quindi come killer dell'efficienza."

Per confrontare le perovskiti inorganiche e ibride, i ricercatori hanno studiato due materiali prototipo. Entrambi i materiali contengono atomi di piombo e iodio, ma in un materiale la struttura cristallina è completata dall'elemento inorganico cesio, mentre nell'altro, è presente la molecola organica di metilammonio.

Ordinare questi processi sperimentalmente è estremamente difficile, ma i calcoli quantomeccanici all'avanguardia possono prevedere con precisione i tassi di ricombinazione, grazie alla nuova metodologia che è stata sviluppata nel gruppo del professore di materiali UCSB Chris Van de Walle, che ha accreditato Mark Turiansky, uno studente laureato senior del gruppo, aiutando a scrivere il codice per calcolare i tassi di ricombinazione.

"I nostri metodi sono molto potenti per determinare quali difetti causano la perdita del vettore, " Ha detto Turiansky. "È emozionante vedere l'approccio applicato a una delle questioni critiche del nostro tempo, vale a dire la generazione efficiente di energia rinnovabile."

L'esecuzione delle simulazioni ha mostrato che i difetti comuni a entrambi i materiali danno luogo a livelli di ricombinazione comparabili (e relativamente benigni). Però, la molecola organica nella perovskite ibrida può rompersi; quando si verifica la perdita di atomi di idrogeno, i "posti vacanti" risultanti diminuiscono fortemente l'efficienza. La presenza della molecola è quindi un danno, piuttosto che un bene, all'efficienza complessiva del materiale.

Come mai, poi, non è stato notato sperimentalmente? Principalmente perché è più difficile coltivare strati di alta qualità dei materiali completamente inorganici. Hanno la tendenza ad adottare altre strutture cristalline, e promuovere la formazione della struttura desiderata richiede uno sforzo sperimentale maggiore. Recenti ricerche hanno dimostrato, però, che il raggiungimento della struttura preferita è sicuramente fattibile. Ancora, la difficoltà spiega perché le perovskiti completamente inorganiche non hanno ricevuto finora tanta attenzione.

"Speriamo che i nostri risultati sull'efficienza prevista stimoleranno più attività dirette alla produzione di perovskiti inorganiche, " ha concluso Van de Walle.