Le finestre intelligenti che sono trasparenti quando è buio o freddo ma si scuriscono automaticamente quando il sole è troppo luminoso sono dispositivi di risparmio energetico sempre più diffusi. Ma immagina che quando la finestra è oscurata, produce contemporaneamente elettricità. Tale materiale - un vetro fotovoltaico che è anche termocromico reversibile - è una tecnologia verde a cui i ricercatori hanno lavorato a lungo, e adesso, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno dimostrato un modo per farlo funzionare.

Ricercatori del Berkeley Lab, un laboratorio nazionale del Dipartimento dell'Energia (DOE), scoperto che una forma di perovskite, uno dei materiali più caldi nella ricerca solare attualmente grazie alla sua elevata efficienza di conversione, funziona sorprendentemente bene come materiale semiconduttore stabile e fotoattivo che può essere commutato in modo reversibile tra uno stato trasparente e uno non trasparente, senza degradare le sue proprietà elettroniche.

La ricerca, guidato da Peidong Yang della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, è stato pubblicato questa settimana sulla rivista Materiali della natura in uno studio intitolato, "Celle solari perovskite ad alogenuri termocromici". Gli autori principali erano Jia Lin, Minliang Lai, e Letian Dou, tutto nel gruppo di ricerca di Yang.

Gli scienziati hanno fatto la scoperta mentre studiavano la transizione di fase del materiale, una perovskite inorganica. "Questa classe di perovskite ad alogenuri inorganici ha una straordinaria chimica di transizione di fase, " disse Yang, che è anche professore nei dipartimenti di chimica dell'Università di Berkeley, e Scienza e ingegneria dei materiali. "Può essenzialmente cambiare da una struttura cristallina all'altra quando cambiamo leggermente la temperatura o introduciamo un po' di vapore acqueo".

Quando il materiale cambia la sua struttura cristallina, cambia da trasparente a non trasparente. "Questi due stati hanno la stessa identica composizione ma strutture cristalline molto diverse, " ha detto. "Questo è stato molto interessante per noi. Quindi puoi facilmente manipolarlo in un modo che non è facilmente disponibile nei semiconduttori convenzionali esistenti".

I materiali alogenuri perovskite sono composti che hanno la struttura cristallina della perovskite minerale. Le sue proprietà uniche, alti tassi di efficienza, e la facilità di lavorazione ne hanno fatto uno degli sviluppi più promettenti della tecnologia solare negli ultimi anni.

Ricercatori di un altro laboratorio DOE, il Laboratorio Nazionale delle Energie Rinnovabili (NREL), ha recentemente fatto una scoperta correlata, utilizzando una reazione chimica in una perovskite ibrida per dimostrare una finestra solare commutabile.

I ricercatori del Berkeley Lab non si erano inizialmente proposti di sviluppare una finestra solare termocromica. Stavano studiando le transizioni di fase nelle celle solari perovskite e cercando di migliorare la stabilità nel prototipo di ioduro di piombo perovskite metilammonio ibrido organico-inorganico. Così hanno provato a usare il cesio per sostituire il metilammonio.

"La stabilità chimica è migliorata notevolmente, ma purtroppo la fase non era stabile, " disse Dou, che era un ricercatore post-dottorato ed è ora assistente professore alla Purdue University. "Si è trasformato nella fase a bassa T [temperatura]. Era un inconveniente, ma poi l'abbiamo trasformato in qualcosa di unico e utile."

Il materiale viene attivato per la transizione dalla fase a bassa T a quella ad alta T (o da trasparente a non trasparente) mediante l'applicazione di calore. Nel laboratorio, la temperatura richiesta era di circa 100 gradi Celsius. Yang ha detto che stanno lavorando per abbassarlo a 60 C.

Lin, un borsista post-dottorato del Berkeley Lab, detta umidità, o umidità, è stato utilizzato in laboratorio per attivare la transizione inversa. "La quantità di umidità necessaria dipende dalla composizione e dal tempo di transizione desiderato, " ha detto. "Per esempio, più bromuro rende il materiale più stabile, quindi la stessa umidità richiederebbe più tempo per passare dallo stato ad alta T a quello a bassa T."

I ricercatori continueranno inoltre a lavorare allo sviluppo di modi alternativi per innescare la transizione inversa, ad esempio applicando tensione, o ingegnerizzare la fonte dell'umidità.

"La cella solare mostra prestazioni completamente reversibili e un'eccellente stabilità del dispositivo su ripetuti cicli di transizione di fase senza sbiadimento del colore o degrado delle prestazioni, " disse Lai, uno studente laureato nel gruppo di Yang. "Con un dispositivo come questo, un edificio o un'auto possono raccogliere l'energia solare attraverso la finestra fotovoltaica intelligente."