Una nuova tecnica di stampa in soluzione a bassa temperatura consente la fabbricazione di celle solari in perovskite ad alta efficienza con grandi cristalli destinati a ridurre al minimo i bordi dei grani che rubano la corrente. La tecnica di stampa della soluzione assistita da menisco (MASP) aumenta l'efficienza della conversione di potenza a quasi il 20% controllando la dimensione e l'orientamento dei cristalli.

Il processo, che utilizza piastre parallele per creare un menisco di inchiostro contenente i precursori della perovskite agli alogenuri metallici, potrebbe essere scalato per generare rapidamente ampie aree di film cristallino denso su una varietà di substrati, compresi i polimeri flessibili. I parametri operativi per il processo di fabbricazione sono stati scelti utilizzando uno studio cinetico dettagliato dei cristalli di perovskite osservati durante il loro ciclo di formazione e crescita.

"Abbiamo utilizzato una tecnica di stampa in soluzione assistita da menisco a bassa temperatura per realizzare film di perovskite di alta qualità con prestazioni optoelettroniche molto migliorate, " disse Zhiqun Lin, un professore alla Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Georgia Institute of Technology. "Abbiamo iniziato sviluppando una comprensione dettagliata della cinetica di crescita dei cristalli che ci ha permesso di sapere come dovrebbero essere sintonizzati i parametri preparativi per ottimizzare la fabbricazione dei film".

La nuova tecnica è segnalata il 7 luglio sulla rivista Comunicazioni sulla natura . La ricerca è stata supportata dall'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) e dalla National Science Foundation (NSF).

Le perovskiti offrono un'interessante alternativa ai materiali tradizionali per catturare l'elettricità dalla luce, ma le tecniche di fabbricazione esistenti producono tipicamente piccoli grani cristallini i cui confini possono intrappolare gli elettroni prodotti quando i fotoni colpiscono i materiali. Le tecniche di produzione esistenti per la preparazione di film di perovskite a grana grossa richiedono in genere temperature più elevate, che non è favorevole per i materiali polimerici utilizzati come substrati, il che potrebbe aiutare a ridurre i costi di fabbricazione e consentire celle solari flessibili in perovskite.

Allora Lin, Il ricercatore Ming He e colleghi hanno deciso di provare un nuovo approccio che si basa sull'azione capillare per aspirare l'inchiostro perovskite in un menisco formato tra due piastre quasi parallele a circa 300 micron di distanza. La piastra inferiore si muove continuamente, permettendo al solvente di evaporare sul bordo del menisco per formare perovskite cristallina. Quando i cristalli si formano, l'inchiostro fresco viene aspirato nel menisco utilizzando lo stesso processo fisico che forma un anello di caffè su una superficie assorbente come la carta.

"Poiché l'evaporazione del solvente innesca il trasporto dei precursori dall'interno verso l'esterno, i precursori della perovskite si accumulano ai margini del menisco e formano una fase satura, " ha spiegato Lin. "Questa fase satura porta alla nucleazione e alla crescita dei cristalli. Su una vasta area, vediamo un film piatto e uniforme con elevata cristallinità e crescita densa di grandi cristalli".

Per stabilire la velocità ottimale per spostare le piastre, la distanza tra le piastre e la temperatura applicata alla piastra inferiore, i ricercatori hanno studiato la crescita dei cristalli di perovskite durante il MASP. Utilizzando filmati ripresi al microscopio ottico per monitorare i grani, hanno scoperto che i cristalli crescono prima a una velocità quadratica, ma lenti a un ritmo lineare quando hanno cominciato a urtare i loro vicini.

"Quando i cristalli si imbattono nei loro vicini, che influenza la loro crescita, " ha osservato He. "Abbiamo scoperto che tutti i grani che abbiamo studiato hanno seguito dinamiche di crescita simili e sono cresciuti in un film continuo sul substrato".

Il processo MASP genera cristalli relativamente grandi - da 20 a 80 micron di diametro - che ricoprono la superficie del substrato. Avere una struttura densa con meno cristalli riduce al minimo gli spazi che possono interrompere il flusso di corrente, e riduce il numero di confini che possono intrappolare elettroni e lacune e consentire loro di ricombinarsi.

Utilizzando film prodotti con il processo MASP, i ricercatori hanno costruito celle solari con efficienze di conversione dell'energia in media del 18 percento, con alcune fino al 20 percento. Le celle sono state testate con più di 100 ore di funzionamento senza incapsulamento. "La stabilità del nostro film MASP è migliorata grazie all'alta qualità dei cristalli, " ha detto Lino.

La raclatura è una delle tecniche convenzionali di fabbricazione della perovskite in cui vengono utilizzate temperature più elevate per far evaporare il solvente. Lin e i suoi colleghi hanno riscaldato il loro substrato a soli 60 gradi Celsius circa, che sarebbe potenzialmente compatibile con i materiali del substrato polimerico.

Finora, i ricercatori hanno prodotto campioni in scala centimetrica, ma credono che il processo possa essere ampliato e applicato a substrati flessibili, potenzialmente facilitando la lavorazione continua roll-to-roll dei materiali in perovskite. Ciò potrebbe aiutare a ridurre i costi di produzione di celle solari e altri dispositivi optoelettronici.

"La tecnica di stampa della soluzione assistita dal menisco avrebbe vantaggi per le celle solari flessibili e altre applicazioni che richiedono un processo di fabbricazione continuo a bassa temperatura, " ha aggiunto Lin. "Ci aspettiamo che il processo possa essere scalato per produrre un'elevata produttività, film di perovskite su larga scala."

Tra i prossimi passi ci sono la fabbricazione dei film su substrati polimerici, e valutare altre proprietà uniche (ad es. termica e piezotronica) del materiale.