Prende il nome da un minerale scoperto negli Urali della Russia, le perovskiti hanno preso il centro della scena come classe di materiali con proprietà che potrebbero essere applicate ai futuri dispositivi elettronici e energetici.

I film semiconduttori in perovskite promettono flessibilità, celle solari leggere, economiche e facilmente realizzate con materiali abbondanti. Sebbene non siano ancora disponibili in commercio - gli ostacoli includono renderli più stabili e durevoli - potrebbero trasformare l'industria dell'energia solare nel prossimo decennio o due.

Per gli scienziati, le perovskiti presentano anche un interessante enigma:inizia con un numero qualsiasi di variazioni sugli ingredienti di base per realizzarle:piombo, ioduro e metilammonio - e si finisce con lo stesso materiale di base. Ancora, modifiche alla chimica nelle varie fasi del processo possono portare a perovskiti con qualità più desiderabili per le celle solari.

Per i ricercatori della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e della Stanford University, il mistero e le potenzialità delle perovskiti convergono in esperimenti in cui vengono utilizzati raggi X estremamente luminosi per studiare la chimica del materiale nel momento stesso in cui si sta formando. La struttura per gli utenti del DOE Office of Science presso lo SLAC National Accelerator Laboratory offre diversi modi per affrontare il problema e scoprire nuove intuizioni su questo utile materiale.

Abbiamo chiesto agli scienziati dello staff della SSRL Christopher Tassone e Kevin Stone, Ph.D. in chimica di Stanford studente Aryeh Gold-Parker e Michael Toney, capo della divisione di scienza dei materiali della SSRL, quello che hanno scoperto di recente sulla chimica della perovskite e dove sperano che il loro lavoro porti.

La loro ricerca è stata pubblicata oggi in Comunicazioni sulla natura .

Come sono fatte le perovskiti, e cosa ti interessa di questo processo?

Stone:Inizi sciogliendo alcuni ingredienti di base in un solvente. Quindi depositi quella soluzione e la asciughi in un film. Il film viene poi trasformato nella perovskite finale mediante un trattamento come la ricottura, che consiste nel riscaldarlo a una certa temperatura e poi raffreddarlo di nuovo. Ci interessa la chimica dell'intero processo e come si evolve in ogni fase. L'idea è che se riesci a capire quella che chiamiamo la "chimica di formazione" delle perovskiti, puoi creare i materiali per avere le proprietà esatte che desideri.

Gold-Parker:ci sono dozzine di metodi diversi per depositare pellicole di perovskite, Per esempio. E questi metodi portano a differenze di spessore, struttura, granulometria e cristallinità dei film. Nel laboratorio, la creazione di perovskiti con caratteristiche distintive avviene principalmente per tentativi ed errori. Gli ingegneri apportano piccole modifiche al processo per ottimizzare la particolare proprietà a cui sono interessati, che si tratti di voltaggio o prestazioni della cella solare. Prova ed errore può funzionare, ma non è efficiente.

Tassone:Il mio gruppo è molto interessato a come produciamo grandi quantità di pannelli solari in modo molto economico per soddisfare la crescente domanda di energia solare e obiettivi di energia pulita. Le celle solari convenzionali al silicio non possono essere prodotte abbastanza rapidamente. Riteniamo che se siamo in grado di comprendere le trasformazioni chimiche che si verificano durante il processo di fabbricazione delle celle solari a perovskite, alla fine possiamo progettare processi migliori che soddisfino le esigenze dell'industria.

Di cosa trattava il tuo ultimo studio?

Gold-Parker:il nostro studio si basa sul lavoro di altri gruppi di ricercatori a Oxford, Cornell e Stanford che hanno dimostrato che l'utilizzo del cloro nella lavorazione può portare a film di perovskite di alta qualità con prestazioni impressionanti. Dopo che la soluzione si è depositata c'è una fase intermedia in cui si forma un film cristallino – lo chiamiamo precursore – e poi un sale gassoso di cloro chiamato cloruro di metilammonio (MACI) lascia il film continuamente mentre si converte in perovskite. Alcuni anni fa, uno studio SSLL da parte mia, Toney e colleghi hanno dimostrato che nel prodotto finale è rimasto pochissimo cloro. Anche se inizi con molto cloro, la stragrande maggioranza di essa è persa nella lavorazione.

Stone:In questo ultimo studio volevamo sapere:dove va a finire il cloro e a cosa serve? Perché il cloro in primo luogo? In cosa consiste il precursore, e come sta influenzando questa trasformazione?

Cosa hai trovato?

Stone:Siamo riusciti a capire qual è la struttura di quel precursore cristallino, come sono messi insieme gli atomi, e all'incirca quanto cloro è presente. Quando lo riscaldiamo durante la fase di ricottura, vediamo che il precursore cristallino persiste per un bel po' prima di iniziare a trasformarsi in perovskite.

Gold-Parker:Siamo stati anche in grado di dimostrare che la trasformazione nella perovskite finale è limitata dalla graduale evaporazione di MACl, e che questa lenta trasformazione potrebbe effettivamente portare a un materiale perovskite di qualità superiore.

Toney:Ci sono anche implicazioni più ampie. I calcoli teorici possono dirti con buona precisione le proprietà che avrà il tuo materiale. Ma non forniscono quasi alcuna guida su come procedere per sintetizzarlo. Questa domanda ha suscitato interesse nella comunità scientifica per molti decenni, ma ancor di più negli ultimi cinque anni, in quella che è stata chiamata scienza della sintesi:capire come si fa effettivamente qualcosa. Quali sono i processi che attraversa il materiale, i percorsi? Questo studio è un bell'esempio di essere in grado di districare quel processo di sintesi, e, di conseguenza, ottenere informazioni su come potremmo ridisegnarlo.

Come l'hai studiato?

Tassone:Abbiamo usato più versioni di due tecniche chiamate scattering a raggi X e spettroscopia a raggi X. La diffusione dei raggi X viene utilizzata per studiare la struttura; ti dice dove si trovano gli atomi nei materiali cristallini. La spettroscopia a raggi X è una tecnica complementare. Ti parla della chimica del film, quanti dei diversi elementi chimici sono presenti e come sono legati.

Gold-Parker:Questi metodi ci hanno permesso di sondare i cambiamenti nella struttura cristallina e la quantità di cloro durante la trasformazione, così come lo stato chimico del cloro. E, cosa molto importante, abbiamo usato ciascuna di queste tecniche in situ o mentre i cambiamenti si stanno effettivamente verificando. SSRL ha capacità di livello mondiale per la progettazione e l'esecuzione di questo tipo di esperimenti in situ che monitorano il processo effettivo anziché solo i punti iniziale e finale, e questo era davvero potente.

Tassone:Ciò che rende questo risultato e il nostro approccio molto forte è che usiamo l'interpretazione dei dati di scattering per informare l'interpretazione dei dati della spettroscopia, e viceversa. Non avremmo risolto questo meccanismo senza mettere insieme quelle cose. Nel documento tracciamo un percorso chiaro per chiunque voglia studiare i processi coinvolti nella realizzazione di questo o altri materiali. Questo è un passo importante nella ricerca sulle perovskiti, ma anche nel più ampio campo della scienza della sintesi descritto da Mike.

Qual è il prossimo?

Pietra:vorrei studiare cosa succede nella soluzione prima che si asciughi, quindi in una fase precedente del processo. Vorrei anche espandere i nostri metodi per includere altri materiali di perovskite.

Toney:Un altro punto da perseguire è legato al ruolo del cloro presente nel film in questo specifico esempio. Funge da mediatore o regolatore, e rallenta la conversione. In che modo questo concetto generale di mediatore – un composto che serve a uno scopo ma non finisce nel tuo materiale finale – funziona in questo processo o in altri processi o materiali? Il silicio è stato studiato per almeno 50 anni, perovskiti per cinque, quindi abbiamo molto lavoro davanti a noi.

Tassone:Ho due punti per andare avanti. Uno è come sviluppiamo i processi che funzioneranno su larga scala e consentiranno al solare di essere accessibile a tutti e di avere davvero un grande impatto sul nostro panorama energetico? L'altro è, sulla base del fatto che le perovskiti sono lo sviluppo di semiconduttori più entusiasmante nell'ultimo decennio o due, come possiamo utilizzare le proprietà uniche di questo materiale anche per altre applicazioni?