Le installazioni di pannelli solari sono in aumento negli Stati Uniti, con oltre 2 milioni di nuove installazioni all'inizio del 2019, il più alto mai registrato in un primo trimestre, secondo un recente rapporto di Solar Energy Industries Association e Wood Mackenzie Power &Renewables.

Per soddisfare le sempre crescenti richieste, sono auspicabili alternative a basso costo e più efficienti alle celle solari a base di silicio, la tecnologia attualmente più utilizzata. Nell'ultimo decennio, le perovskiti di alogenuro di piombo sono diventate la classe più promettente di materiali alternativi; però, sono instabili. Contengono piombo, che è tossico e pone potenziali rischi per la salute e l'ambiente come la contaminazione delle acque sotterranee.

Un team di ingegneri della Washington University di St. Louis ha trovato quello che ritengono più stabile, semiconduttore meno tossico per applicazioni solari utilizzando un nuovo doppio ossido di perovskite scoperto attraverso l'analisi dei dati e calcoli quantomeccanici.

Il loro lavoro è stato pubblicato online l'11 giugno in Chimica dei materiali .

Rohan Mishra, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering, condotto un percorso interdisciplinare, team internazionale che ha scoperto il nuovo semiconduttore, costituito da potassio, bario, tellurio, bismuto e ossigeno (KBaTeBiO6). Il doppio ossido di perovskite senza piombo era uno dei primi 30, 000 potenziali ossidi a base di bismuto. Di quei 30, 000, solo circa 25 erano composti noti.

Utilizzando l'informatica dei materiali e i calcoli della meccanica quantistica su uno dei supercomputer più veloci al mondo, Arashdeep Singh Thind, uno studente di dottorato nel laboratorio di Mishra presso l'Oak Ridge National Laboratory, ha trovato KBaTeBiO6 il più promettente dei 30, 000 potenziali ossidi.

"Abbiamo scoperto che questo sembrava essere il composto più stabile e che poteva essere sintetizzato in laboratorio, " Mishra ha detto. "Ancora più importante, considerando che la maggior parte degli ossidi tende ad avere una banda larga, avevamo previsto che il nuovo composto avrebbe avuto un gap di banda inferiore, che è vicino alle perovskiti ad alogenuri, e di avere proprietà ragionevolmente buone."

Il band gap è la barriera energetica che gli elettroni devono superare per formare portatori liberi che, nel contesto di una cella solare, può essere estratto per alimentare un dispositivo elettrico o immagazzinato in una batteria per un uso successivo. L'energia per superare questa barriera è fornita dalla luce solare. I composti più promettenti per le applicazioni delle celle solari hanno un band gap di circa 1,5 eV, o elettronvolt, disse Mishra.

Mishra ha discusso la possibilità di sintetizzare KBaTeBiO6 con Pratim Biswas, vicesindaco aggiunto, la Lucy &Stanley Lopata Professor e presidente del Dipartimento di Energia, Ingegneria ambientale e chimica. Shalinee Kavadiya, poi studente di dottorato in McKelvey Engineering e ora ricercatore post-dottorato presso l'Arizona State University, devo lavorare per perfezionare la ricetta.

"Shalinee ha trascorso circa sei mesi a sintetizzare il materiale, " disse Mishra. "Una volta che fu in grado di sintetizzarlo, come avevamo previsto, era stabile e aveva un band gap di 1,88 eV, che abbiamo anche previsto."

Mishra ha detto che si tratta di celle solari di prima generazione che necessitano di una messa a punto più precisa del gap di banda, ma è un buon primo passo verso le celle solari non tossiche.

"Questo dimostra che possiamo allontanarci da queste perovskiti di alogenuro di piombo, " Ha detto Mishra. "Questo apre uno spazio davvero grande per la progettazione di semiconduttori non solo per applicazioni di celle solari ma anche per altre applicazioni di semiconduttori, come i display LCD."

Prossimo, il team studierà il ruolo di eventuali difetti in questo nuovo semiconduttore e cercherà tecniche di sintesi più avanzate, compreso l'uso di tecniche di aerosol.