Le perovskiti, un'ampia categoria di composti che condividono una certa struttura cristallina, hanno attirato molta attenzione come potenziali nuovi materiali per le celle solari a causa del loro basso costo, flessibilità, e processo di fabbricazione relativamente facile. Ma molto rimane sconosciuto sui dettagli della loro struttura e sugli effetti della sostituzione di metalli diversi o altri elementi all'interno del materiale.

Le celle solari convenzionali in silicio devono essere lavorate a temperature superiori a 1, 400 gradi Celsius, utilizzando attrezzature costose che limitano il loro potenziale di aumento della produzione. In contrasto, le perovskiti possono essere lavorate in una soluzione liquida a temperature fino a 100 gradi, utilizzando attrezzature poco costose. Cosa c'è di più, le perovskiti possono essere depositate su una varietà di substrati, comprese le plastiche flessibili, consentendo una varietà di nuovi usi che sarebbe impossibile con più spesso, wafer di silicio più rigidi.

Ora, i ricercatori sono riusciti a decifrare un aspetto chiave del comportamento delle perovskiti realizzate con diverse formulazioni:con alcuni additivi esiste una sorta di "punto debole" in cui quantità maggiori migliorano le prestazioni e oltre le quali quantità ulteriori iniziano a degradarle. I risultati sono dettagliati questa settimana sulla rivista Scienza , in un articolo dell'ex postdoc del MIT Juan-Pablo Correa-Baena, professori del MIT Tonio Buonassisi e Moungi Bawendi, e altri 18 al MIT, l'Università della California a San Diego, e altre istituzioni.

Le perovskiti sono una famiglia di composti che condividono una struttura cristallina in tre parti. Ogni parte può essere composta da un numero qualsiasi di diversi elementi o composti, portando a una gamma molto ampia di possibili formulazioni. Buonassisi paragona la progettazione di una nuova perovskite all'ordinazione da un menu, prelevandone uno (o più) da ciascuna delle colonne A, colonna B, e (per convenzione) colonna X. "Puoi mescolare e abbinare, " lui dice, ma fino ad ora tutte le variazioni potevano essere studiate solo per tentativi ed errori, poiché i ricercatori non avevano una conoscenza di base di ciò che stava accadendo nel materiale.

In una precedente ricerca di un team della Swiss École Polytechnique Fédérale de Lausanne, a cui ha partecipato Correa-Baena, aveva scoperto che l'aggiunta di alcuni metalli alcalini alla miscela di perovskite potrebbe migliorare l'efficienza del materiale nel convertire l'energia solare in elettricità, da circa il 19 per cento a circa il 22 per cento. Ma all'epoca non c'era alcuna spiegazione per questo miglioramento, e nessuna comprensione di cosa stessero facendo esattamente questi metalli all'interno del composto. "Si sapeva molto poco su come la microstruttura influisce sulle prestazioni, " dice Buonassisi.

Ora, mappatura dettagliata utilizzando misurazioni di fluorescenza a raggi X di sincrotrone ad alta risoluzione, che può sondare il materiale con un raggio appena un millesimo della larghezza di un capello, ha rivelato i dettagli del processo, con potenziali indizi su come migliorare ulteriormente le prestazioni del materiale.

Si scopre che l'aggiunta di questi metalli alcalini, come cesio o rubidio, al composto di perovskite aiuta alcuni degli altri costituenti a mescolarsi insieme più agevolmente. Come lo descrive il team, questi additivi aiutano ad "omogeneizzare" la miscela, facendolo condurre più facilmente l'elettricità e migliorando così la sua efficienza come cella solare. Ma, hanno trovato, che funziona solo fino a un certo punto. Oltre una certa concentrazione, questi metalli aggiunti si aggregano, formando regioni che interferiscono con la conduttività del materiale e contrastano in parte il vantaggio iniziale. Nel mezzo, per ogni data formulazione di questi composti complessi, è il punto debole che offre le migliori prestazioni, hanno trovato.

"È una grande scoperta, "dice Correa-Baena, che a gennaio è diventato assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Georgia Tech. Cosa hanno scoperto i ricercatori, dopo circa tre anni di lavoro al MIT e con i collaboratori della UCSD, era "cosa succede quando si aggiungono quei metalli alcalini, e perché le prestazioni migliorano." Sono stati in grado di osservare direttamente i cambiamenti nella composizione del materiale, e rivelare, tra l'altro, questi effetti compensativi di omogeneizzazione e aggregazione.

"L'idea è che, sulla base di questi risultati, ora sappiamo che dovremmo esaminare sistemi simili, in termini di aggiunta di metalli alcalini o altri metalli, " o variando altre parti della ricetta, dice Correa-Baena. Mentre le perovskiti possono avere importanti vantaggi rispetto alle celle solari al silicio convenzionali, soprattutto in termini di basso costo di creazione di fabbriche per produrli, richiedono ancora ulteriore lavoro per aumentare la loro efficienza complessiva e migliorare la loro longevità, che è significativamente indietro rispetto a quello delle celle di silicio.

Sebbene i ricercatori abbiano chiarito i cambiamenti strutturali che avvengono nel materiale perovskite quando si aggiungono metalli diversi, e le conseguenti variazioni delle prestazioni, "Ancora non capiamo la chimica dietro questo, " Dice Correa-Baena. Questo è l'oggetto della ricerca in corso da parte del team. L'efficienza massima teorica di queste celle solari in perovskite è di circa il 31 percento, secondo Correa-Baena, e la migliore performance fino ad oggi è di circa il 23 percento, quindi rimane un margine significativo per un potenziale miglioramento.

Sebbene possano volerci anni prima che le perovskiti realizzino il loro pieno potenziale, almeno due società sono già in procinto di allestire linee di produzione, e si aspettano di iniziare a vendere i loro primi moduli entro il prossimo anno o giù di lì. Alcuni di questi sono piccoli, celle solari trasparenti e colorate progettate per essere integrate nella facciata di un edificio. "Sta già accadendo, " Correa-Baena dice, "ma c'è ancora del lavoro da fare per renderli più durevoli".

Una volta problemi di producibilità su larga scala, efficienza, e la durata sono affrontati, Buonassisi dice, le perovskiti potrebbero diventare un attore importante nel settore delle energie rinnovabili. "Se riescono a rendere sostenibile, moduli ad alta efficienza preservando il basso costo di produzione, che potrebbe cambiare il gioco, " dice. "Potrebbe consentire l'espansione dell'energia solare molto più velocemente di quanto abbiamo visto".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.