La luce rende alcuni materiali conduttivi in ​​un modo precedentemente imprevisto. Nelle celle solari al silicio, gli elettroni fluiscono quando splende il sole. Però, gli scienziati del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda hanno ora una sorpresa:in una speciale perovskite, un altro materiale utilizzato per le celle solari, la luce non solo rilascia elettroni, ma anche atomi caricati elettricamente, conosciuti come ioni. Inoltre, questo nuovo fotoeffetto è estremamente grande. La conduttività ionica è aumentata di un fattore cento. Per le celle solari realizzate con il materiale qui esaminato, l'elevata conducibilità ionica indotta dalla luce è piuttosto dannosa; le conseguenze, però, ora può essere contrastato in modo specifico. Dal punto di vista dei ricercatori di Stoccarda, l'effetto è di per sé innovativo, come fa romanzo, possibili applicazioni elettrochimiche controllate dalla luce, come le batterie caricate direttamente dalla luce.

Quando si parla di efficienza, le celle solari al silicio definiscono gli standard. Ma soprattutto per elementi fotovoltaici con efficienze particolarmente elevate, la produzione di silicio è complessa e costosa. Materiali denominati perovskiti, per la loro struttura, potrebbe offrire un'alternativa meno costosa qui. Un team di scienziati guidato da Joachim Maier, Direttore del Max Planck Institute for Solid State Research, hanno ora esaminato come la luce influenzi il trasporto di elettricità in questi materiali basati sulla perovskite metilammonio piombo ioduro (MAPI). Il loro interesse per questi materiali è stato suscitato durante una collaborazione con Michael Grätzel, che conduce ricerche presso l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ed è un membro scientifico esterno del Max Planck Institute di Stoccarda.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno ora osservato che gli ioni, cioè atomi carichi, contribuiscono alla conduttività in misura inaspettatamente elevata quando il materiale è illuminato. Nelle celle solari perovskite, l'effetto può portare ad alterazioni strutturali e comprometterne l'efficienza. "Però, i nostri risultati possono aiutare a prevenire tali processi di invecchiamento, " dice Joachim Maier. Per il chimico, però, il fenomeno in quanto tale è più eccitante soprattutto perché crea la possibilità fondamentale di rilasciare ioni mobili con l'aiuto della luce, vale a dire quei portatori di carica che trasportano elettricità in applicazioni elettrochimiche come batterie, celle a combustibile o sensori e interruttori elettrochimici.

Che la luce influenzi il trasporto ionico è stato dimostrato solo in precedenza in biologia:l'illuminazione è in grado di alterare indirettamente la permeabilità di una membrana cellulare. "Molto sorprendente, però, è il fatto che la conduzione ionica dei solidi cristallini può essere modificata direttamente e in che misura ciò è possibile, " afferma Joachim Maier. Il suo team ha osservato come il numero di ioni ioduro liberi è stato aumentato di un fattore cento. La conduzione ionica è quindi aumentata in misura simile a quella nota per la conduttività elettronica indotta dalla luce.

I ricercatori di Stoccarda non solo hanno dimostrato sperimentalmente il fenomeno. Possono anche spiegarlo. In accordo con loro, la luce inizialmente rilascia elettroni, come di consueto nelle celle solari. Gli elettroni caricati negativamente lasciano buchi caricati positivamente nel reticolo cristallino, come direbbero i fisici. Questi neutralizzano ioni ioduro altrimenti carichi negativamente all'interno del cristallo. Poiché un atomo di iodio scarico è molto più piccolo di uno ione ioduro, occupa un cosiddetto spazio interstiziale, questo è, uno spazio libero nel reticolo cristallino in cui lo ione ioduro più grande non si adatta. Le lacune risultanti nel reticolo cristallino consentono la conduzione di ioni più o meno allo stesso modo in cui i fori di elettroni consentono la conduzione di elettroni. "Cruciale per questo effetto è che c'è un meccanismo che traduce i fori creati dalla luce direttamente in conduttività ionica, "dice Gioacchino Maier.

I ricercatori hanno utilizzato vari metodi per dimostrare l'effetto al di là di ogni dubbio. In un primo esperimento, usavano contatti elettrici per MAPI che bloccavano gli ioni, questo è, lasciavano passare solo gli elettroni. Hanno usato una corrente specifica e misurato la tensione. Se gli ioni sono coinvolti nel flusso di corrente, la tensione dovrebbe aumentare dopo poco tempo, perché possono muoversi solo inizialmente, ma vengono poi bloccati dai contatti. Questo è esattamente ciò che hanno osservato i ricercatori di Stoccarda.

Una chiara evidenza di conduzione ionica è stata fornita anche dalla tensione misurata in un circuito aperto, che è stato generato dai ricercatori utilizzando la perovskite come fase elettrolitica di una cella di batteria illuminata:se gli elettroni nel materiale trasportassero principalmente corrente, si verificherebbe un cortocircuito, e non verrebbe prodotta alcuna tensione. Però, utilizzando un materiale ionicamente conduttivo come elettrolita, è possibile misurare la tensione prevista della batteria.

I ricercatori hanno dimostrato direttamente il trasporto di iodio in altri due esperimenti. Hanno esposto un lato della perovskite allo iodio gassoso. Hanno attaccato una pellicola di rame all'altro lato, che agisce come un cosiddetto assorbitore di iodio a causa della sua propensione a reagire per formare ioduro di rame. Sotto illuminazione, questo processo è avvenuto ad altissima velocità. Il trasporto dello iodio all'interno del campione di perovskite è stato dimostrato anche da un esperimento in cui il toluene ha agito come un pozzo esterno per l'elemento. I ricercatori hanno dimostrato spettroscopicamente che la concentrazione di iodio nel toluene aumentava non appena la perovskite veniva illuminata.

Il meccanismo osservato dagli scienziati a Stoccarda è reversibile, sottolinea Maier. Non distrugge il materiale. Solo quando il materiale perovskite è in contatto con una sostanza che lega lo iodio in modo permanente, o quando lo iodio fuoriesce nell'atmosfera, il materiale si degrada nel tempo.

Nel futuro prossimo, i ricercatori non hanno intenzione di accontentarsi solo di comprendere i meccanismi di degrado e in definitiva di prevenirli. Ciò che è più importante, secondo Joachim Maier, è indagare sull'effetto stesso, perché rappresenta una novità nella ricerca allo stato solido. "Esamineremo altri materiali per vedere se si verificano fenomeni simili, " afferma Joachim Maier. I ricercatori si stanno anche concentrando sulla questione di come questo effetto possa essere sfruttato tecnicamente. Per fare questo, prima svilupperanno idee, come l'utilizzo della memoria stimolata dalla luce, e quindi cercare i materiali adatti per tali applicazioni. "La conducibilità ionica rappresenta un fenomeno chiave in un contesto di ricerca energetica, ", afferma Joachim Maier. "Ma sotto molti aspetti, soprattutto quando si tratta di esposizione alla luce, rimane una terra incognita". I ricercatori Max Planck di Stoccarda intendono cambiare questa situazione.