Quando una cella solare assorbe un fotone di luce, inizia una corsa elettronica contro il tempo. Due particelle, un elettrone caricato negativamente e un "buco" caricato positivamente, generano elettricità se si separano completamente.

Però, quando queste particelle rimangono intrappolate all'interno di un materiale solare prima che possano separarsi completamente, può diminuire la capacità del materiale di convertire la luce in elettricità.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno pubblicato un nuovo studio che identifica il processo mediante il quale i fori vengono intrappolati nelle nanoparticelle di ossido di zinco, un materiale di potenziale interesse per applicazioni solari perché assorbe la luce ultravioletta.

"Se stai costruendo una cella solare, vuoi evitare di intrappolare buchi; ma se stai facendo un fotocatalizzatore, vuoi intrappolarli."—Lo scienziato a raggi X Christopher Milne del Paul Scherrer Institute in Svizzera.

Utilizzando i raggi X prodotti dall'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, i ricercatori sono stati in grado di vedere l'intrappolamento di buchi in regioni specifiche della nanoparticella. Questo rappresenta un notevole progresso, poiché esperimenti precedenti erano in grado di rilevare la migrazione e l'intrappolamento di elettroni ma non di lacune.

Secondo Stephen Southworth, autore dello studio, alcuni hanno considerato l'ossido di zinco come una possibile alternativa al biossido di titanio, il materiale fotovoltaico più comunemente usato. Comprendere il comportamento di intrappolamento dei fori è necessario per valutare la fattibilità del materiale nelle applicazioni di energia solare, Egli ha detto.

Sebbene l'intrappolamento dei fori comprometta le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici, può migliorare la capacità dell'ossido di zinco di agire come fotocatalizzatore, poiché le cariche positive immagazzinate nelle trappole all'interno del materiale possono continuare ad agire come partecipanti alle reazioni chimiche.

"Se stai costruendo una cella solare, vuoi evitare di intrappolare buchi; ma se stai facendo un fotocatalizzatore, vuoi intrappolarli, " ha detto il capo progetto Christopher Milne, uno scienziato dei raggi X presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera. "Indipendentemente, capire come questi atomi vengono intrappolati, e per quanto tempo, è di fondamentale importanza per creare materiali funzionali che convertano la luce in energia utilizzabile".

I ricercatori hanno determinato che i fori sono rimasti intrappolati in "vacanze di ossigeno", luoghi all'interno del reticolo cristallino in cui manca un atomo di ossigeno. Ossido di zinco, Milne ha detto, ha una struttura cristallina che gli permette di avere molti di questi posti vacanti. L'intrappolamento avviene perché i posti vacanti hanno un livello energetico inferiore rispetto all'ambiente circostante, creando un energico crepaccio per il passaggio delle buche.

Per effettuare le loro misurazioni, i ricercatori hanno combinato due diverse tecniche a raggi X:spettroscopia di assorbimento di raggi X e spettroscopia di emissione di raggi X risonante. "La combinazione di queste tecniche è possibile in modo univoco con la configurazione che abbiamo all'APS, dandoci una vista che ci mostra sia la geometria atomica che la struttura elettronica del materiale, " ha detto il fisico a raggi X di Argonne Gilles Doumy, autore dello studio, che ha utilizzato la linea di luce 7ID-D presso l'APS.

"APS è stato uno dei pochi posti al mondo in cui avremmo potuto fare questo esperimento. È stata una collaborazione molto fruttuosa, " ha affermato Milne. L'APS è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

I ricercatori hanno indicato che gli studi futuri del sistema potrebbero trarre vantaggio dall'avere la capacità di scattare istantanee estremamente rapide del comportamento di intrappolamento. Un simile esperimento potrebbe essere condotto presso strutture laser a raggi X a elettroni liberi come Linac Coherent Light Source di SLAC, anche un DOE Office of Science User Facility.

"Essenzialmente, vogliamo vedere lo stesso processo ma avere la capacità di scattare immagini mille volte più velocemente, ", ha detto Southworth.

"La funzionalità del materiale dipenderà sempre da come il comportamento nelle prime fasi del processo influenza il comportamento in tempi successivi e più lunghi, " ha aggiunto Doumy. "Abbiamo bisogno di entrambe le immagini per una comprensione completa".

Un articolo basato sulla ricerca, "Rivelando l'intrappolamento di fori nelle nanoparticelle di ossido di zinco mediante spettroscopia a raggi X risolta nel tempo, " apparso nel numero online del 2 febbraio di Comunicazioni sulla natura .