Nel tentativo di progettare celle solari e diodi a emissione di luce (LED) più efficienti, un team di ingegneri ha analizzato diversi tipi di difetti nel materiale semiconduttore che consente a tali dispositivi di determinare se e come influiscono sulle prestazioni.

Rohan Mishra, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, guidato un ampio team di ricercatori, tra cui la Washington University, all'Oak Ridge National Laboratory in Tennessee e all'Università del Missouri-Columbia, che ha studiato la struttura e le proprietà dei difetti planari che si verificano comunemente su scala atomica, che si estende solo per pochi decimi di nanometro.

Il team di Mishra ha studiato le perovskiti di alogenuro di piombo, una nuova classe di semiconduttori ad alte prestazioni che vengono esplorati per la prossima generazione di celle solari a basso costo per consentire la conversione dell'energia solare in elettricità con alta efficienza.

Quando questi materiali sono realizzati, possono verificarsi difetti dove si incontrano diversi cristalli, noti come bordi di grano. Nei semiconduttori convenzionali, questi difetti possono diminuire la loro conduttività elettrica e l'efficienza di conversione dell'energia solare in elettricità; però, nelle perovskiti di alogenuro di piombo, ci sono diversi rapporti sperimentali sull'attività dei bordi di grano. In alcuni casi, risultano dannosi, mentre in altri casi non hanno alcun impatto sulle prestazioni o sono addirittura utili. Ma, ad oggi, nessuno capiva perché. Il team di Mishra ha spiegato perché in Materiale avanzato , 3 dicembre

"Un minuscolo difetto su scala atomica ha un grande impatto sulla cella solare, " disse Mishra. "Se manca un atomo specifico a questi confini di grano, il tuo cellulare non funzionerà bene."

All'Oak Ridge National Lab, Arashdeep Singh Thind, uno studente di dottorato presso l'Institute of Materials Science &Engineering della Washington University che lavora nel laboratorio di Mishra, ha eseguito l'imaging con uno dei più potenti microscopi elettronici per osservare la struttura atomica dei bordi dei grani. Guangfu Luo, un ex ricercatore nel laboratorio di Mishra che è assistente professore alla Southern University of Science and Technology di Shenzen, Cina, ha quindi utilizzato calcoli quantomeccanici eseguiti su alcuni dei supercomputer più veloci per comprendere le proprietà elettroniche di questi bordi di grano.

Nei semiconduttori di silicio, i confini del grano seminano il caos, ma nelle perovskiti di alogenuro di piombo, potrebbero non farlo. E questo dipende dalla concentrazione degli ioni alogenuro, un elemento critico per le proprietà.

"Se coltivi i cristalli in un ambiente povero di alogenuri, quindi i bordi del grano sono terribili per le prestazioni, " Ha detto Mishra. "Ma se puoi farli crescere o ricotturarli [riscaldarli e ricombinarli] in un'atmosfera ricca di alogenuri, i bordi del grano sono a posto."

Thind ha anche esaminato un altro tipo di faglia planare nota come faglie di Ruddlesden-Popper, in cui i piani di cristalli si impilano in modo errato; Per esempio, invece di essere allineati in file ordinate, una delle righe viene spostata leggermente a sinistra oa destra di una colonna atomica. Ancora, utilizzando calcoli di meccanica quantistica, Luo e Mishra hanno scoperto che, avendo una grande densità di tali difetti di impilamento, potrebbe essere possibile ottenere un'emissione ottica brillante da nanoparticelle grandi e più stabili di alcune perovskiti di alogenuro di piombo, che potrebbe potenzialmente aprire la strada a LED con una durata maggiore.

"La sfida per gli sperimentali è progettare faglie sovrapposte a distanze periodiche, " disse Mishra.

Nella ricerca correlata pubblicata su ACS Applied Nano Materials il 16 ottobre, Il team di Mishra ha lavorato con i ricercatori dell'Università del Missouri-Columbia, che hanno trovato una nuova via chimica per promuovere la crescita di perovskiti di alogenuro di piombo con un'alta densità di tali faglie di impilamento. Rimuovendo i ligandi di superficie, uno ione o una molecola che si lega a un atomo di superficie di un nanocristallo, nanocristalli di perovskite di alogenuro di piombo più piccoli si sono fusi e sono cresciuti da circa 8 nanometri a 60 nanometri in 48 ore.

Questi nuovi nanocristalli avevano proprietà ottiche notevolmente migliorate a causa dei difetti di impilamento formati durante il processo di fusione, che Thind ha trovato utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione a risoluzione atomica. Inoltre, i nanocristalli erano più stabili quando esposti alla luce, aveva righe di emissione più nitide e una resa quantica più elevata. Con questi difetti, i nuovi nanocristalli dovrebbero migliorare le proprietà di emissione di luce dei nanocristalli di perovskite di alogenuro di piombo, con conseguente migliore LED e altri dispositivi optoelettronici.

Queste nuove informazioni forniscono agli ingegneri come Mishra e Thind ulteriori informazioni per trovare alternative al piombo nelle celle solari, che non solo contengono piombo tossico, ma sono anche instabili alla luce, umidità e calore e si decompongono in pochi giorni, perdita di piombo nelle acque sotterranee. Mishra sta studiando se un elemento non tossico - bismuto, vicino del piombo nella tavola periodica, è un sostituto più sicuro ed ugualmente efficiente del piombo nelle perovskiti.