Le perovskiti a base di piombo sono materiali molto promettenti per la produzione di pannelli solari. Trasformano efficacemente la luce in elettricità ma presentano anche alcuni grossi inconvenienti:i materiali più efficienti sono poco stabili, mentre il piombo è un elemento tossico. Gli scienziati dell'Università di Groningen stanno studiando alternative alle perovskiti a base di piombo. Due fattori che influenzano significativamente l'efficienza di queste celle solari sono la capacità di formare film sottili e la struttura dei materiali nelle celle solari. Perciò, è molto importante indagare in situ come si formano i cristalli di perovskite senza piombo e come la struttura cristallina influisce sul funzionamento delle celle solari. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Materiali funzionali avanzati il 31 marzo.

Le celle fotovoltaiche basate su perovskiti ibride sono state introdotte per la prima volta nel 2009 e sono diventate rapidamente efficienti quasi quanto le celle solari standard al silicio. Questi materiali hanno una struttura cristallina molto particolare, nota come struttura perovskite. In una cella unitaria cubica idealizzata, gli anioni formano un ottaedro attorno a un catione centrale, mentre gli angoli del cubo sono occupati da altri, cationi più grandi. Ioni differenti possono essere usati per creare perovskiti differenti.

Rivestimento rotante

I migliori risultati nelle celle solari sono stati ottenuti utilizzando perovskiti con piombo come catione centrale. Poiché questo metallo è tossico, sono state sviluppate alternative a base di stagno, Per esempio, formamidinio ioduro di stagno (FASnI ₃ ). Questo è un materiale promettente; però, manca della stabilità di alcuni dei materiali a base di piombo. Sono stati fatti tentativi per mescolare il 3-D FASnI ₃ cristalli con materiali stratificati, contenente il catione organico feniletilammonio (PEA). "La mia collega, Professoressa Maria Loi, e il suo team di ricerca ha dimostrato che l'aggiunta di una piccola quantità di questo PEA produce un materiale più stabile ed efficiente, ", afferma l'assistente professore Giuseppe Portale. "Tuttavia, aggiungendone molto si riduce l'efficienza fotovoltaica."

È qui che entra in gioco Portale. Le perovskiti sono state studiate a lungo dalla professoressa di fotofisica e optoelettronica Maria Loi, mentre Portale ha sviluppato una tecnica di diffrazione dei raggi X che gli consente di studiare la rapida formazione di film sottili in tempo reale durante lo spin-coating da soluzione. Su scala di laboratorio, i film di perovskite sono generalmente realizzati mediante spin coating, un processo in cui una soluzione precursore viene erogata su un substrato a rotazione rapida. I cristalli crescono mentre il solvente evapora. Alla linea di luce BM26B-DUBBLE presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Francia, Portale ha studiato cosa succede durante la formazione del film stagno-perovskite.

Interfaccia

"La nostra idea iniziale, che si basava su indagini ex situ, era che i cristalli orientati crescono dalla superficie del substrato verso l'alto, " spiega Portale. Tuttavia, i risultati in situ hanno mostrato il contrario:i cristalli iniziano a crescere all'interfaccia aria/soluzione. Durante i suoi esperimenti, ha usato 3-D FASnI ₃ con l'aggiunta di diverse quantità di 2-D PEASnI ₄ . Nella pura perovskite 3-D, i cristalli hanno iniziato a formarsi in superficie ma anche nella massa della soluzione. Però, l'aggiunta di una piccola quantità del materiale 2-D ha soppresso la cristallizzazione di massa e i cristalli sono cresciuti solo dall'interfaccia.

"Le molecole di PEA giocano un ruolo attivo nella soluzione precursore delle perovskiti, stabilizzare la crescita di cristalli di tipo 3-D orientati attraverso la coordinazione ai bordi del cristallo. Inoltre, Le molecole di PEA impediscono la nucleazione nella fase di massa, quindi la crescita dei cristalli avviene solo all'interfaccia aria/solvente, " Spiega Portale. I film risultanti sono composti da cristalli di perovskite di tipo 3-D allineati e una quantità minima di perovskite di tipo 2-D, situato nella parte inferiore del film. L'aggiunta di basse concentrazioni del materiale 2-D produce un materiale fotovoltaico stabile ed efficiente, mentre l'efficienza diminuisce drasticamente ad alte concentrazioni di questo materiale 2-D.

Isolante

Gli esperimenti di Portale e Loi possono spiegare questa osservazione:"La perovskite 2-D-like si trova all'interfaccia substrato/film. L'aumento del contenuto del materiale 2-D al di sopra di una certa quantità provoca la formazione di un 2-D esteso. Strato organico simile a D che funge da isolante, con effetti dannosi per l'efficienza del dispositivo." La conclusione dello studio è che la formazione di questo strato isolante deve essere impedita per ottenere una perovskite a base di stagno altamente efficiente e stabile. "Il passo successivo è realizzare questo, ad esempio giocando con i solventi, temperatura o interazioni specifiche perovskite/substrato che possono rompere la formazione di questo spesso strato isolante".