Alcuni materiali sono come le persone. Lascia che si rilassino al sole per un po' e si comportano molto meglio.

Una collaborazione guidata dalla Rice University e dal Los Alamos National Laboratory ha scoperto che è il caso di un composto di perovskite pubblicizzato come un materiale efficiente per raccogliere la luce solare e convertirla in energia.

I ricercatori guidati da Aditya Mohite, uno scienziato dello staff di Los Alamos che presto diventerà professore alla Rice; Wanyi Nie, anche uno scienziato del personale a Los Alamos, e l'autore principale e studente laureato alla Rice Hsinhan (Dave) Tsai ha scoperto che l'illuminazione costante rilassa la tensione nel reticolo cristallino della perovskite, permettendogli di espandersi uniformemente in tutte le direzioni.

L'espansione allinea i piani di cristallo del materiale e cura i difetti nella massa. Ciò a sua volta riduce le barriere energetiche ai contatti, rendendo più facile per gli elettroni muoversi attraverso il sistema e fornire energia ai dispositivi.

Ciò non solo migliora l'efficienza di conversione di potenza della cella solare, ma inoltre non compromette la sua fotostabilità, con degrado trascurabile su più di 1, 500 ore di funzionamento con un'illuminazione continua di un sole di 100 milliwatt per centimetro cubo.

La ricerca, che appare questa settimana in Scienza , rappresenta un passo significativo verso celle solari stabili a base di perovskite per le tecnologie solari-elettricità e solare-combustibile di prossima generazione, secondo i ricercatori.

"Le strutture cristalline ibride di perovskite hanno una formula generale di AMX3, dove A è un catione, M è un metallo bivalente e X è un alogenuro, " Ha detto Mohite. "È un semiconduttore polare con un gap di banda diretto simile a quello dell'arseniuro di gallio.

"Questo conferisce alle perovskiti un coefficiente di assorbimento che è quasi un ordine di grandezza più grande dell'arseniuro di gallio (un semiconduttore comune nelle celle solari) nell'intero spettro solare, ", ha detto. "Ciò implica che un film spesso 300 nanometri di perovskite è sufficiente per assorbire tutta la luce solare incidente. Al contrario, il silicio è un materiale a banda proibita indiretta che richiede 1, 000 volte più materiale per assorbire la stessa quantità di luce solare."

Mohite ha affermato che i ricercatori hanno cercato a lungo perovskiti ibride efficienti che siano stabili alla luce del sole e in condizioni ambientali ambientali.

"Attraverso questo lavoro, abbiamo dimostrato progressi significativi nel raggiungimento di entrambi questi obiettivi, " ha detto. "La nostra perovskite a base di triplo catione in un reticolo cubico mostra un'eccellente stabilità della temperatura a più di 100 gradi Celsius (212 gradi Fahrenheit)."

I ricercatori hanno modellato e realizzato più di 30 semiconduttori, Film sottili a base di ioduro con strutture simili alla perovskite:Cubi cristallini con atomi disposti in righe e colonne regolari. Hanno misurato la loro capacità di trasmettere corrente e hanno scoperto che quando sono intrisi di luce, la barriera energetica tra la perovskite e gli elettrodi è in gran parte svanita quando i legami tra gli atomi si sono rilassati.

Sono rimasti sorpresi nel vedere che la barriera è rimasta spenta per 30 minuti dopo che la luce è stata spenta. Poiché i film sono stati mantenuti a temperatura costante durante gli esperimenti, i ricercatori sono stati anche in grado di eliminare il calore come possibile causa dell'espansione del reticolo.

Le misurazioni hanno mostrato che il dispositivo perovskite ibrido "campione" ha aumentato la sua efficienza di conversione di potenza dal 18,5% al ​​20,5%. In media, tutte le celle avevano un'efficienza superiore al 19%. Mohite ha affermato che le perovskiti utilizzate nello studio erano del 7% distanti dalla massima efficienza possibile per una cella solare a giunzione singola.

Ha detto che l'efficienza delle celle era quasi il doppio di quella di tutte le altre tecnologie fotovoltaiche elaborate in soluzione e del 5% inferiore a quella del fotovoltaico commerciale a base di silicio. Hanno mantenuto l'85% della loro massima efficienza dopo 800 ore di funzionamento continuo al punto di massima potenza, e la loro densità di corrente non ha mostrato alcun degrado fotoindotto sull'intero 1, 500 ore.

"Questo lavoro accelererà la comprensione scientifica necessaria per ottenere celle solari perovskite stabili, " Ha detto Mohite. "Apre anche nuove direzioni per scoprire fasi e comportamenti emergenti che derivano dalla natura strutturale dinamica, o morbidezza, del reticolo di perovskite."

I ricercatori principali hanno indicato che lo studio va oltre il fotovoltaico in quanto si connette, per la prima volta, dinamiche strutturali innescate dalla luce con processi di trasporto elettronico fondamentali. Anticipano che porterà a tecnologie che sfruttano la luce, forza o altri trigger esterni per adattare le proprietà dei materiali a base di perovskite.