La diffusione dei neutroni ha rivelato, in tempo reale, i meccanismi fondamentali alla base della conversione della luce solare in energia nei materiali ibridi di perovskite. Una migliore comprensione di questo comportamento consentirà ai produttori di progettare celle solari con maggiore efficienza.

Il team multi-istituzionale di ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, Hunan University e l'Università del Nebraska-Lincoln hanno utilizzato misurazioni della fotoluminescenza, insieme alla diffusione di neutroni e raggi X, studiare la relazione tra la struttura microscopica del materiale e le sue proprietà optoelettroniche. Esaminando il materiale a vari gradi di temperatura, i ricercatori sono stati in grado di tracciare i cambiamenti strutturali atomici e stabilire in che modo il legame idrogeno gioca un ruolo chiave nelle prestazioni del materiale. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

Le perovskiti ibride promettono di essere più efficienti nella conversione della luce in energia rispetto ai tradizionali materiali delle celle solari. Sono anche più facili da produrre in quanto possono essere centrifugati dalla soluzione e non richiedono camere ad alto vuoto per la sintesi.

A differenza delle loro controparti singolari in silicio o germanio, le perovskiti ibride sono costituite da molecole sia organiche che inorganiche. La struttura è costituita da molecole inorganiche di piombo e bromo disposte in unità ottaedriche che formano gabbie attorno ai cationi organici metilammonio (ioni caricati positivamente) costituiti da carbonio, azoto e idrogeno.

"Il vantaggio di avere molecole sia organiche che inorganiche in una struttura cristallina ben definita significa che possiamo personalizzare il materiale sintonizzando un gruppo o l'altro per ottimizzare le proprietà, "ha detto Kai Xiao, un ricercatore presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL. "Ma anche se i ricercatori hanno studiato questi materiali per diversi anni, ancora non comprendiamo appieno a livello fondamentale come i componenti organici influenzino le proprietà".

Trovare la giusta combinazione e orientamento molecolare dei componenti organici/inorganici è la chiave per sbloccare più funzionalità, ma la comprensione di queste interazioni richiede gli strumenti giusti.

"I neutroni sono molto bravi in ​​questo perché sono sensibili agli elementi più leggeri come l'idrogeno, " ha detto lo scienziato dello strumento ORNL Xiaoping Wang. "Poiché siamo in grado di tracciare ogni neutrone, otteniamo informazioni su cose come dove sono gli atomi, qual è la loro temperatura, e come si comportano".

Utilizzando lo strumento TOPAZ presso la Spallation Neutron Source di ORNL, il team è stato in grado di osservare le interazioni dei legami idrogeno su scala atomica.

L'esperimento ha rivelato che il materiale subisce cambiamenti strutturali significativi tra circa 150 e 130 Kelvin (circa -190 e -225 gradi Fahrenheit). Il raffreddamento del materiale ha rallentato il movimento della componente organica in uno stato ordinato, in cui sono state effettuate precise misurazioni in situ in tempo reale per osservare esattamente come le molecole organiche si legavano al componente piombo-bromo attraverso legami idrogeno.

"Abbiamo visto che l'ordine è direttamente correlato al legame idrogeno nella struttura, e come eventuali cambiamenti possono influenzare il gap energetico del materiale, ", ha affermato Wang. "Questo ci consente di sapere quanto bene viene assorbita la luce solare e cosa potrebbe significare in termini di applicazioni per i materiali fotovoltaici".

Misure complementari di fotoluminescenza e diffusione dei raggi X, insieme alla sintesi dei cristalli, sono stati condotti al CNMS. I calcoli teorici sono stati eseguiti da scienziati della divisione Scienza e tecnologia dei materiali dell'ORNL.

"Le perovskiti ibride sono già un buon materiale, " disse Xiao. "Ora che sappiamo come l'orientamento delle molecole organiche influisce sulla struttura cristallina, e come possiamo sintonizzarli ulteriormente per modificare le proprietà desiderate, questa nuova comprensione fondamentale ci consentirà di progettare nuovi materiali con un potenziale ancora maggiore".