All'interno guarda la tecnica RIR-MAPLE che ha la capacità di costruire una nuova tecnologia di cristalli di celle solari. Il cerchio bianco al centro del tavolo è una soluzione congelata contenente i mattoni molecolari per il materiale delle celle solari, che viene fatto saltare dai laser, vaporizzando la soluzione che porta i materiali a rivestire il fondo del bersaglio sovrastante. Credito:E. Tomas Barraza
Gli scienziati dei materiali della Duke University hanno sviluppato un metodo per creare materiali ibridi a film sottile che altrimenti sarebbero difficili o impossibili da realizzare. La tecnica potrebbe essere la porta di accesso alle nuove generazioni di celle solari, diodi emettitori di luce e fotorivelatori.
Il team di ricerca ha descritto i loro metodi il 22 dicembre, 2017 sulla rivista ACS Energy Letters .
Le perovskiti sono una classe di materiali che, con la giusta combinazione di elementi, hanno una struttura cristallina che le rende particolarmente adatte per applicazioni basate sulla luce. La loro capacità di assorbire la luce e trasferire la sua energia in modo efficiente li rende un obiettivo comune per i ricercatori che sviluppano nuovi tipi di celle solari, Per esempio.
La perovskite più comune utilizzata oggi nell'energia solare, ioduro di piombo di metilammonio (MAPbI3), può convertire la luce in energia proprio come i migliori pannelli solari oggi disponibili in commercio. E può farlo utilizzando una frazione del materiale, una scheggia 100 volte più sottile di una tipica cella solare a base di silicio.
Lo ioduro di piombo di metilammonio è una delle poche perovskiti che possono essere create utilizzando tecniche di produzione industriali standard, anche se ha ancora problemi di scalabilità e durata. Per sbloccare veramente il potenziale delle perovskiti, però, sono necessari nuovi metodi di produzione perché la miscela di molecole organiche e inorganiche in una struttura cristallina complessa può essere difficile da realizzare. Gli elementi organici sono particolarmente delicati, ma sono fondamentali per la capacità del materiale ibrido di assorbire ed emettere luce in modo efficace.
Osserva più da vicino l'obiettivo della soluzione congelata che contiene gli elementi costitutivi del materiale delle celle solari. Credito:E. Tomas Barraza
"Metilammonio piombo ioduro ha un componente organico molto semplice, eppure è un assorbitore di luce molto performante, "ha detto David Mitzi, il Simon Family Professor di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali alla Duke. "Se riusciamo a trovare un nuovo approccio produttivo in grado di costruire combinazioni molecolari più complesse, aprirà nuovi regni della chimica per i materiali multifunzionali."
Nel nuovo studio, Mitzi collabora con la collega Adrienne Stiff-Roberts, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Duke, per dimostrare proprio un tale approccio produttivo. La tecnica è chiamata evaporazione laser pulsata assistita da matrice a infrarossi risonante, o RIR-MAPLE in breve, ed è stato sviluppato da Stiff-Roberts alla Duke negli ultimi dieci anni.
Adattato da una tecnologia inventata nel 1999 chiamata MAPLE, la tecnica prevede il congelamento di una soluzione contenente i mattoni molecolari per la perovskite, e poi far saltare il blocco congelato con un laser in una camera a vuoto.
Quando un laser vaporizza un piccolo pezzo del bersaglio congelato delle dimensioni di una fossetta su una pallina da golf, il vapore viaggia verso l'alto in un pennacchio che ricopre la superficie inferiore di qualsiasi oggetto sospeso in alto, come un componente in una cella solare. Una volta che il materiale si è accumulato a sufficienza, il processo viene interrotto e il prodotto viene riscaldato per cristallizzare le molecole e fissare il film sottile.
Nella versione di Stiff-Roberts della tecnologia, la frequenza del laser è specificamente sintonizzata sui legami molecolari del solvente congelato. Questo fa sì che il solvente assorba la maggior parte dell'energia, lasciando intatte le delicate sostanze organiche mentre viaggiano verso la superficie del prodotto.
Vista all'interno della camera RIR-MAPLE al termine del processo di deposizione del film sottile. Al centro non è rimasto nulla della soluzione congelata originale, poiché è stato tutto vaporizzato per ricoprire il fondo del bersaglio appeso sopra. Credito:E. Tomas Barraza
"La tecnologia RIR-MAPLE è estremamente delicata sui componenti organici del materiale, molto più di altre tecniche basate sul laser, " ha detto Stiff-Roberts. "Questo lo rende anche molto più efficiente, richiedendo solo una piccola frazione dei materiali organici per raggiungere lo stesso prodotto finale."
Sebbene sul mercato non siano ancora disponibili celle solari a base di perovskite, ci sono alcune aziende che lavorano per commercializzare ioduro di piombo di metilammonio e altri materiali strettamente correlati. E mentre i materiali realizzati in questo studio hanno efficienze delle celle solari migliori di quelli realizzati con altre tecnologie basate sul laser, non raggiungono ancora quelli realizzati con processi tradizionali basati su soluzioni.
Ma Mitzi e Stiff-Roberts dicono che non è il loro obiettivo.
"Mentre le tecniche basate su soluzioni possono anche essere delicate sui prodotti organici e possono creare ottimi materiali fotovoltaici ibridi, non possono essere utilizzati per molecole organiche più complesse e poco solubili, " ha detto Stiff-Roberts.
"Con questa dimostrazione della tecnologia RIR-MAPLE, speriamo di aprire un nuovo mondo di materiali all'industria delle celle solari, " ha continuato Mitzi. "Pensiamo che questi materiali possano essere utili anche per altre applicazioni, come diodi emettitori di luce, fotorivelatori e rilevatori di raggi X."
