Gli scienziati hanno acquisito nuove intuizioni su un mistero fondamentale sulle perovskiti ibride, materiali a basso costo che potrebbero migliorare o addirittura sostituire le celle solari convenzionali in silicio.

Al microscopio, una fetta di perovskite sembra un mosaico astratto di grani casuali di cristallo. Il mistero è come questo patchwork di minuscoli, i grani imperfetti possono trasformare la luce solare in elettricità con la stessa efficienza di un singolo cristallo di silicio puro.

Un recente studio condotto da scienziati della Stanford University e del National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC offre nuovi indizi. Scrivendo nel numero del 15 marzo di Materiale avanzato , gli scienziati forniscono una nuova comprensione di come le cariche elettriche si separano nelle perovskiti pochi miliardesimi di secondo dopo l'assorbimento della luce, il primo passo cruciale nella generazione di una corrente elettrica.

Lo studio è il primo a sondare il funzionamento interno delle perovskiti ibride su scala atomica utilizzando impulsi laser che corrispondono all'intensità della radiazione solare, e quindi imitare la luce solare naturale. Gli autori affermano che la loro scoperta potrebbe portare a miglioramenti nelle prestazioni delle celle solari in perovskite e un nuovo modo per sondare la loro funzionalità.

Perovskiti e silicio

La maggior parte delle celle solari oggi sono fatte di silicio purificato prodotto a temperature superiori a 3, 000 gradi Fahrenheit (1, 600 gradi Celsius). Questi pannelli in silicone rigido possono durare per decenni in tutti i tipi di condizioni atmosferiche.

celle solari perovskite, anche se molto meno durevole, sono più sottili e più flessibili delle celle al silicio e possono essere prodotte vicino alla temperatura ambiente da una miscela ibrida di materiali organici e inorganici economici, come lo iodio, piombo e metilammonio.

Ricercatori, tra cui il coautore di Stanford Michael McGehee, hanno dimostrato che le celle solari in perovskite sono efficienti nel convertire la luce in elettricità quanto le celle di silicio disponibili in commercio e possono persino superarle. Questa combinazione di efficienza, la flessibilità e la facile sintesi hanno alimentato una corsa mondiale per lo sviluppo di perovskiti di qualità commerciale in grado di resistere all'esposizione a lungo termine al calore e alle precipitazioni.

"Le perovskiti sono materiali molto promettenti per il fotovoltaico, " ha detto l'autore principale Burak Guzelturk, uno studioso post-dottorato a Stanford e SLAC. "Ma le persone si chiedono come possano raggiungere efficienze così elevate".

Elettroni e buchi

Tutte le celle solari funzionano secondo lo stesso principio. I fotoni della luce solare assorbiti dal materiale cristallino portano elettroni carichi negativamente in uno stato eccitato. Gli elettroni liberati lasciano spazi o "buchi" carichi positivamente che si separano l'uno dall'altro. Questa separazione dà origine a una corrente elettrica.

Silicio puro, con la sua struttura atomica altamente ordinata, fornisce un percorso diretto per gli elettroni e le lacune per viaggiare attraverso la cella solare. Ma con le perovskiti, la strada è tutt'altro che liscia.

"Le perovskiti sono tipicamente piene di difetti, " ha detto il co-autore Aaron Lindenberg, professore associato presso SLAC e Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES). "Non sono nemmeno vicini ad essere cristalli perfetti, eppure in qualche modo le correnti elettriche non vedono i difetti."

Emissione terahertz

Per lo studio, il team di ricerca ha utilizzato impulsi laser per simulare le onde di luce solare da entrambe le estremità dello spettro della luce visibile:luce viola ad alta energia e luce infrarossa a bassa energia. I risultati sono stati misurati alla scala temporale del picosecondo. Un picosecondo è un trilionesimo di secondo.

"Nei primi picosecondi dopo che la luce solare ha colpito la perovskite, gli elettroni e le lacune nel reticolo cristallino iniziano a dividersi, "Ha spiegato Lindenberg. "La separazione è stata scoperta misurando l'emissione di impulsi di luce terahertz ad alta frequenza che oscillano un trilione di volte al secondo dal film sottile di perovskite. Questa è la prima volta che qualcuno ha osservato l'emissione di terahertz da perovskiti ibride".

L'emissione di terahertz ha anche rivelato che elettroni e lacune interagiscono strettamente con le vibrazioni del reticolo nel materiale cristallino. Questa interazione, che si verifica su una scala temporale di femtosecondi, potrebbe aiutare a spiegare come le correnti elettriche navigano attraverso il mosaico di grani di cristallo nelle perovskiti ibride.

"Mentre le cariche elettriche si separano, osserviamo un forte picco nell'emissione di terahertz, corrispondenza di un modo vibrazionale del materiale, " Ha detto Guzelturk. "Questo ci dà una chiara evidenza che gli elettroni e le lacune si accoppiano fortemente con le vibrazioni atomiche nel materiale".

Questa scoperta solleva la possibilità che l'accoppiamento alla vibrazione del reticolo possa proteggere gli elettroni e le lacune da difetti carichi nella perovskite, schermando la corrente elettrica mentre viaggia attraverso la cella solare. Scenari simili sono stati proposti da altri gruppi di ricerca.

"Questa è una delle prime osservazioni su come la struttura atomica locale di un materiale ibrido perovskite risponde nei primi miliardesimi di secondo dopo aver assorbito la luce solare, "Ha detto Lindenberg. "La nostra tecnica potrebbe aprire un nuovo modo di sondare una cella solare proprio quando il fotone viene assorbito, che è davvero importante se vuoi capire e costruire materiali migliori. Il modo convenzionale è mettere gli elettrodi sul dispositivo e misurare la corrente, ma questo essenzialmente offusca tutti i processi microscopici che sono fondamentali. Il nostro tutto ottico, l'approccio senza elettrodi con risoluzione in tempo di femtosecondi evita questo problema."

Elettroni caldi

I ricercatori hanno anche scoperto che i campi di luce terahertz sono molto più forti quando la perovskite viene colpita da onde luminose ad alta energia.

"Abbiamo scoperto che la luce terahertz irradiata è di ordini di grandezza più intensa quando si eccitano gli elettroni con la luce viola rispetto alla luce infrarossa a bassa energia, "Ha detto Lindenberg. "Questo è stato un risultato inaspettato."

Questa scoperta potrebbe fornire nuove informazioni sugli elettroni "caldi" ad alta energia, disse Guzelturk.

"La luce viola trasmette elettroni con energia cinetica in eccesso, creando elettroni caldi che si muovono molto più velocemente degli altri elettroni, " ha detto. "Tuttavia, questi elettroni caldi perdono la loro energia in eccesso molto rapidamente."

Sfruttare l'energia degli elettroni caldi potrebbe portare a una nuova generazione di celle solari ad alta efficienza, ha aggiunto Lindenberg.

"Una delle grandi sfide è trovare un modo per catturare l'energia in eccesso da un elettrone caldo prima che si rilassi, " ha detto. "L'idea è che se si potesse estrarre la corrente associata agli elettroni caldi prima che l'energia si dissipi, potresti aumentare l'efficienza della cella solare. Le persone hanno sostenuto che è possibile creare elettroni caldi nelle perovskiti che vivono molto più a lungo di quanto non facciano nel silicio. Questo fa parte dell'eccitazione intorno alle perovskiti".

Lo studio ha rivelato che nelle perovskiti ibride, gli elettroni caldi si separano dai fori più velocemente e in modo più efficiente degli elettroni eccitati dalla luce infrarossa.

"Per la prima volta possiamo misurare la velocità con cui avviene questa separazione, "Ha detto Lindenberg. "Questo fornirà importanti nuove informazioni su come progettare celle solari che utilizzano elettroni caldi".

Tossicità e stabilità

La capacità di misurare le emissioni di terahertz potrebbe anche portare a nuove ricerche su alternative non tossiche alle perovskiti convenzionali a base di piombo, disse Guzelturk.

"La maggior parte dei materiali alternativi considerati non sono efficienti nel generare elettricità quanto il piombo, " ha detto. "I nostri risultati potrebbero permetterci di capire perché la composizione del piombo funziona così bene mentre altri materiali no, e indagare sul degrado di questi dispositivi osservando direttamente la struttura atomica e come cambia".