Una nuova visione di come una certa classe di materiali fotovoltaici consente una conversione efficiente della luce solare in elettricità potrebbe consentire a questi materiali di sostituire le tradizionali celle solari al silicio. Uno studio condotto da ricercatori della Penn State rivela le proprietà uniche di queste perovskiti a alogenuri poco costose e di rapida produzione, informazioni che guideranno lo sviluppo delle celle solari di prossima generazione. Lo studio appare il 27 settembre sulla rivista chimica .

"Dallo sviluppo delle celle solari al silicio, che oggi si possono trovare sui tetti e ai bordi delle strade, i ricercatori hanno cercato nuovi tipi di materiali fotovoltaici più facili da trasformare in celle solari, " ha detto John Asbury, professore associato di chimica alla Penn State e autore senior dello studio. "Questo perché la costruzione di celle solari al silicio è complessa e difficile da scalare fino al livello necessario per generare anche il 10% della nostra domanda totale di elettricità".

A causa di queste complicazioni, i ricercatori hanno cercato alternative meno costose alle celle solari al silicio che possono essere elaborate più rapidamente. Sono particolarmente interessati ai materiali che possono essere lavorati utilizzando una tecnica chiamata produzione roll-to-roll, una tecnica simile a quelle usate per stampare i giornali che permette a basso costo, produzione ad alto volume. Tali materiali devono essere elaborati dalla soluzione, come l'inchiostro stampato su una pagina.

"Dopo quarant'anni di intensa ricerca su tali materiali, nulla si è avvicinato al silicio, tranne un'entusiasmante classe di materiali noti come perovskiti ad alogenuri, " ha detto Asbury. "Le perovskiti ad alogenuri sembrano avere una tolleranza unica per le imperfezioni nelle loro strutture che consente loro di convertire efficacemente la luce solare in elettricità quando altri materiali con imperfezioni simili non lo fanno".

Ciò che rende le perovskiti ad alogenuri così tolleranti alle imperfezioni, però, era sconosciuto prima di questo studio. I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia di imaging a infrarossi ultraveloce per studiare come la struttura e la composizione di questi materiali influenzano la loro capacità di convertire la luce solare in elettricità.

I ricercatori hanno determinato che le perovskiti ad alogenuri hanno una capacità unica di mantenere la loro struttura cristallina anche mentre gli atomi nei loro cristalli subiscono un movimento vibrazionale insolitamente su larga scala. Tutti i materiali sperimentano il movimento vibrazionale dei loro atomi, che viene tipicamente soppresso rendendo i cristalli dei materiali molto duri, come il silicio, in modo che i loro atomi siano tenuti rigidamente in posizione. Ma, secondo lo studio attuale, le perovskiti ad alogenuri sono molto morbide, che permette ai loro atomi di muoversi e contribuisce alla loro notevole efficienza.

"Ciò che è interessante è che tali moti atomici su larga scala in genere portano a una perdita di struttura cristallina in altri materiali, creando imperfezioni che drenano l'energia dello stato eccitato, "disse Asbury. "Ma con le perovskiti ad alogenuri, i ricercatori possono sostituire chimicamente gli atomi caricati elettronicamente nel materiale per regolare le ampiezze di tali movimenti su scala atomica. Questo ci consentirà di migliorare le prestazioni e la stabilità dei materiali perovskite ad alogenuri.

"Attualmente, le perovskiti ad alogenuri spesso contengono elementi tossici come il piombo e non sono ancora così stabili come dovrebbero essere per sostituire le celle solari al silicio, " ha detto Asbury. "Le intuizioni di questo studio ci consentiranno di creare regole per la progettazione di nuove perovskiti a alogenuri utilizzando l'elaborazione roll-to-roll. Questo guiderà lo sviluppo di materiali perovskite di prossima generazione che sono più stabili e che contengono elementi meno tossici come lo stagno invece del piombo".