Negli ultimi anni, le perovskiti hanno preso d'assalto l'industria delle celle solari. sono economici, facili da produrre e molto flessibili nelle loro applicazioni. La loro efficienza nel convertire la luce in elettricità è cresciuta più velocemente di quella di qualsiasi altro materiale - da meno del 4% nel 2009 a oltre il 20% nel 2017 - e alcuni esperti ritengono che le perovskiti potrebbero alla fine superare le prestazioni del materiale più comune delle celle solari, silicio. Ma nonostante la loro popolarità, i ricercatori non sanno perché le perovskiti siano così efficienti.

Ora gli esperimenti con una potente "camera elettronica" presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto che la luce fa ruotare gli atomi nelle perovskiti, spiegando potenzialmente l'elevata efficienza di questi materiali per celle solari di nuova generazione e fornendo indizi per realizzarne di migliori.

"Abbiamo fatto un passo verso la soluzione del mistero, " ha affermato Aaron Lindenberg dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) e dello Stanford PULSE Institute per la scienza ultraveloce, che sono gestiti congiuntamente dalla Stanford University e SLAC. "Abbiamo registrato filmati che mostrano che alcuni atomi in una perovskite rispondono alla luce entro un trilionesimo di secondo in un modo molto insolito. Ciò può facilitare il trasporto di cariche elettriche attraverso il materiale e aumentarne l'efficienza".

Lo studio è stato pubblicato oggi in Progressi scientifici .

La luce mette in moto la struttura atomica

Quando la luce brilla su un materiale di celle solari, la sua energia sposta alcuni degli elettroni caricati negativamente del materiale. Questo lascia dietro di sé "buchi di elettroni" con una carica positiva dove si trovavano originariamente gli elettroni. Elettroni e lacune migrano ai lati opposti del materiale, creando una tensione che può essere utilizzata per alimentare dispositivi elettrici.

L'efficienza di una cella solare dipende da quanto liberamente elettroni e lacune possono muoversi nel materiale. La loro mobilità, a sua volta, dipende dalla struttura atomica del materiale. Nelle celle solari al silicio, Per esempio, gli atomi di silicio si allineano in modo molto ordinato all'interno dei cristalli, e anche i più piccoli difetti strutturali riducono la capacità del materiale di raccogliere efficacemente la luce.

Di conseguenza, i cristalli di silicio devono essere coltivati ​​in costosi, procedure multistep in condizioni estremamente pulite. In contrasto, "Le perovskiti sono facilmente prodotte mescolando sostanze chimiche in un solvente, che evapora lasciando un sottilissimo film di materiale perovskite, " disse Xiaoxi Wu, l'autore principale dello studio da SIMES a SLAC. "Una lavorazione più semplice significa costi inferiori. A differenza delle celle solari al silicio, I film sottili di perovskite sono anche leggeri e flessibili e possono essere facilmente applicati praticamente su qualsiasi superficie."

Ma di cosa si tratta esattamente nelle perovskiti che consente ad alcuni di loro di raccogliere la luce in modo molto efficiente? Gli scienziati pensano che una delle chiavi sia il modo in cui i loro atomi si muovono in risposta alla luce.

Scoprire di più, Wu e i suoi colleghi hanno studiato questi movimenti in un prototipo di materiale fatto di iodio, piombo e una molecola organica chiamata metilammonio. Gli atomi di iodio sono disposti in ottoedri, strutture a otto lati che sembrano due piramidi unite alle loro basi. Gli atomi di piombo si trovano all'interno degli ottoedri e le molecole di metilammonio si trovano tra gli ottoedri (vedi diagramma sotto). Questa architettura è comune a molte delle perovskiti studiate per le applicazioni delle celle solari.

"Gli studi precedenti hanno esplorato principalmente il ruolo degli ioni metilammonio e dei loro movimenti nel trasporto di carica elettrica attraverso il materiale, " Wu ha detto. "Tuttavia, abbiamo scoperto che la luce provoca grandi deformazioni nella rete di atomi di piombo e iodio che potrebbero essere cruciali per l'efficienza delle perovskiti".

Distorsioni insolite possono aumentare l'efficienza

Presso l'area di test della struttura dell'acceleratore di SLAC (ASTA), i ricercatori hanno prima colpito un film di perovskite, meno di due milionesimi di pollice di spessore, con un impulso laser di 40 femtosecondi. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo. Per determinare la risposta atomica, hanno inviato un impulso di 300 femtosecondi di elettroni altamente energetici attraverso il materiale e hanno osservato come gli elettroni venivano deviati nel film. Questa tecnica, chiamata diffrazione elettronica ultraveloce (UED), permise loro di ricostruire la struttura atomica.

"Ripetendo l'esperimento con diversi ritardi temporali tra i due impulsi, abbiamo ottenuto un filmato in stop-motion dei moti degli atomi di piombo e iodio dopo il colpo di luce, " ha detto il co-autore Xijie Wang, Scienziato capo di SLAC per UED. "Il metodo è simile a prendere una serie di istantanee a raggi X ultraveloci, ma gli elettroni ci danno segnali molto più forti per campioni sottili e sono meno distruttivi".

Il team si aspettava che l'impulso di luce avrebbe influenzato gli atomi in modo uniforme in tutte le direzioni, facendoli oscillare intorno alle loro posizioni originali.

"Ma non è quello che è successo, "Ha detto Lindenberg. "Entro 10 trilionesimi di secondo dopo l'impulso laser, gli atomi di iodio ruotavano attorno a ciascun atomo di piombo come se si muovessero sulla superficie di una sfera con l'atomo di piombo al centro, cambiando ogni ottaedro da una forma regolare a una distorta."

Le deformazioni sorprendenti erano longeve e inaspettatamente grandi, di dimensioni simili a quelle osservate nella fusione dei cristalli.

"Questo movimento potrebbe alterare il modo in cui si muovono le cariche, " Wu ha detto. "Questa risposta alla luce potrebbe migliorare l'efficienza, ad esempio consentendo alle cariche elettriche di migrare attraverso i difetti e proteggendole dall'essere intrappolate nel materiale".

"I risultati del gruppo Lindenberg forniscono affascinanti intuizioni per la prima volta sulle proprietà delle perovskiti ibride utilizzando la diffrazione elettronica ultraveloce come strumento unico, "Secondo Felix Deschler, un esperto nel campo della fisica indotta dalla luce di nuovi materiali e ricercatore presso il Cavendish Lab dell'Università di Cambridge.

"La conoscenza del movimento atomico dettagliato dopo la fotoeccitazione fornisce nuove informazioni sulle loro prestazioni e può fornire nuove linee guida per lo sviluppo dei materiali".