Un team di ricercatori guidato dall'Università della California di San Diego ha osservato per la prima volta cambiamenti su scala nanometrica in profondità all'interno di cristalli ibridi di perovskite che potrebbero offrire nuove informazioni sullo sviluppo a basso costo, celle solari ad alta efficienza.

Utilizzando raggi X e laser, ricercatori hanno studiato come una nuova promettente classe di materiali per celle solari, chiamate perovskiti ibride, si comporta a livello di nanoscala durante il funzionamento. I loro esperimenti hanno rivelato che quando viene applicata la tensione, gli ioni migrano all'interno del materiale, creando regioni che non sono più così efficienti nel convertire la luce in elettricità.

"La migrazione ionica danneggia le prestazioni del materiale che assorbe la luce. Limitarla potrebbe essere una chiave per migliorare la qualità di queste celle solari, "ha detto David Fenning, un professore di nanoingegneria e membro del Centro per l'energia e l'energia sostenibile presso l'UC San Diego.

Il gruppo, guidato da Fenning, comprende ricercatori dell'Istituto AMOLF nei Paesi Bassi e dell'Argonne National Laboratory. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Materiale avanzato .

Le perovskiti ibride sono materiali cristallini costituiti da una miscela di ioni sia inorganici che organici. Sono materiali promettenti per realizzare celle solari di nuova generazione perché sono poco costosi da produrre e sono notevolmente efficienti nel convertire la luce in elettricità.

Però, le perovskiti ibride non sono molto stabili, che possono renderli difficili da studiare. Le tecniche microscopiche tipicamente utilizzate per studiare le celle solari spesso finiscono per danneggiare le perovskiti ibride o non possono visualizzare oltre le loro superfici.

Ora, un team guidato dall'UC San Diego ha dimostrato che utilizzando una tecnica chiamata fluorescenza a raggi X su nanosonda, possono sondare in profondità i materiali ibridi di perovskite senza distruggerli. "Questa è una nuova finestra per sbirciare all'interno di questi materiali e vedere esattamente cosa sta andando storto, " ha detto Fenning.

I ricercatori hanno studiato un tipo di perovskite ibrida chiamata bromuro di piombo di metilammonio, che contiene ioni bromo carichi negativamente. Come altre perovskiti ibride, la sua struttura cristallina contiene molti posti vacanti, o atomi mancanti, che sono stati sospettati per consentire agli ioni di muoversi facilmente all'interno del materiale quando viene applicata una tensione.

I ricercatori hanno prima eseguito misurazioni di fluorescenza a raggi X con nanosonda sui cristalli per creare mappe ad alta risoluzione degli atomi all'interno del materiale. Le mappe hanno rivelato che quando viene applicata la tensione, gli ioni bromo migrano da aree con carica negativa a aree con carica positiva.

Prossimo, i ricercatori hanno puntato un laser sui cristalli per misurare una proprietà chiamata fotoluminescenza, la capacità del materiale di emettere luce quando eccitato da un laser, in diverse aree dei cristalli. Un buon materiale per celle solari emette molto bene la luce, quindi maggiore è la fotoluminescenza, più efficiente dovrebbe essere la cella solare. Le aree con concentrazioni di bromo più elevate avevano una fotoluminescenza fino al 180 percento superiore rispetto alle aree prive di ioni bromo.

"Osserviamo la migrazione degli ioni bromo in pochi minuti e vediamo che le aree ricche di bromo risultanti hanno il potenziale per diventare celle solari migliori mentre le prestazioni sono degradate nelle aree povere di bromo, Fenning ha affermato. Fenning e il suo team stanno ora esplorando modi per limitare la migrazione del bromo nel bromuro di piombo metilammonio e in altre perovskiti ibride. I ricercatori affermano che una potenziale opzione sarebbe la coltivazione di cristalli di perovskite ibrida in condizioni diverse per ridurre al minimo il numero di posti vacanti e limitare la migrazione di ioni. nella struttura cristallina.