Le perovskiti ibride sono materiali straordinariamente efficienti per il fotovoltaico. Solo pochi anni dopo la fabbricazione delle prime celle solari, hanno già raggiunto efficienze di conversione solare superiori al 22 percento. interessante, i meccanismi fondamentali che sono responsabili di questa elevata efficienza sono ancora oggetto di accesi dibattiti.

Una conoscenza approfondita di questi meccanismi è essenziale per consentire ulteriori miglioramenti, e gli studi computazionali condotti utilizzando il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory hanno prodotto nuove intuizioni critiche. Il gruppo di Chris Van de Walle all'Università della California, Santa Barbara (UCSB) ha riportato queste scoperte in due articoli recenti:X. Zhang, J.-X. Shen, W.Wang, e C.G. Van de Walle, ACS Energy Lett . 3, 2329 (2018) e J.-X. Shen, X. Zhang, S. Das, E. Kioupakis, e C.G. Van de Walle, avv. Materia energetica . 8, 1801027 (2018).

Le perovskiti ibride sono un gruppo di materiali che combinano molecole organiche con una struttura inorganica in una struttura reticolare di perovskite. Un certo numero di gruppi di ricerca ha precedentemente attribuito l'elevata efficienza delle perovskiti ibride a un gap di banda indiretto originato da un forte accoppiamento spin-orbita. È stato affermato che la natura indiretta del gap sopprime la ricombinazione radiativa tra elettroni e lacune e quindi riduce al minimo la ricombinazione indesiderata del vettore. Xie Zhang, postdoc dell'UCSB e Ph.D. lo studente Jimmy-Xuan Shen (che da allora si è laureato) ha dimostrato che ciò non era corretto sviluppando un approccio dei primi principi per determinare con precisione la trama di spin dei bordi della banda e calcolare quantitativamente i tassi di ricombinazione radiativa. Per lo ioduro di piombo di metilammonio (il prototipo di perovskite ibrida comunemente chiamata MAPI) hanno scoperto che la ricombinazione radiativa è in realtà forte come nei semiconduttori convenzionali a gap diretto.

"Questo risultato dovrebbe porre fine ai tentativi sbagliati di analizzare e progettare le caratteristiche del dispositivo sulla base di ipotesi errate sul tasso di ricombinazione, " disse Zhang.

Una forte ricombinazione radiativa significa che questi materiali sono utili anche per applicazioni con diodi a emissione di luce (LED). Però, le densità di corrente nei LED sono molto più elevate rispetto alle celle solari, e ad alte concentrazioni di portatori i processi di ricombinazione non radiativa possono diventare dannosi. Tali perdite non radiative sono state osservate, ma sperimentalmente non è possibile identificare le origini microscopiche. Shen e Zhang si sono basati sull'esperienza del gruppo Van de Walle per calcolare con precisione il tasso di ricombinazione dai primi principi. Sono anche riusciti a collegare con precisione la tariffa alle caratteristiche della struttura elettronica.

"La ricombinazione a coclea è un processo in cui due vettori si ricombinano attraverso il gap di banda e l'energia in eccesso viene trasferita a un terzo vettore, " ha spiegato Shen. "Abbiamo scoperto che il coefficiente Auger in MAPI è inaspettatamente grande:due ordini di grandezza maggiore rispetto ad altri semiconduttori con gap di banda comparabili".

I ricercatori hanno identificato due caratteristiche distinte del materiale che sono responsabili:una risonanza tra il band gap e la scissione indotta da spin-orbita delle bande di conduzione, e la presenza di distorsioni strutturali che favoriscono il processo Auger.

"Questi calcoli sono estremamente impegnativi, e la potenza di calcolo fornita dal NERSC è stata determinante per ottenere questi risultati, " ha commentato Van de Walle. "Siamo stati in grado di dimostrare che le perdite della coclea possono essere soppresse se si riducono le distorsioni del reticolo, e proponiamo approcci specifici per raggiungere questo obiettivo in materiali reali."