Le celle solari prodotte da una combinazione di silicio e perovskite, in particolare la variante con alogenuri misti come iodio e bromo, possono essere più efficienti ed economiche delle tradizionali celle solari in silicio perché convertono una proporzione maggiore della luce solare in elettricità. Però, le perovskiti si degradano sotto l'influenza della luce, e quindi non possono ancora essere utilizzati per applicazioni commerciali. La sostituzione del catione (ione caricato positivamente) nella struttura migliora la stabilità del materiale. I ricercatori di AMOLF hanno ora rivelato che questo miglioramento deriva dalla compressione della struttura, paragonabile all'applicazione di una notevole pressione su di esso. Hanno pubblicato i loro risultati in Cell Report Scienze fisiche .

Intuizione chimica

Una perovskite è costituita da uno ione di piombo circondato da ioni di alogenuro come iodio e ioni di bromo. Questo forma una struttura 3D con gabbie riempite con un catione come il metilammonio. Il problema è che se la struttura è illuminata, aree separate sorgono nel materiale dove si verificano principalmente ioni iodio o principalmente ioni bromo. Si perde quindi il vantaggio della miscela iodio-bromo nelle perovskiti:gran parte dello spettro luminoso viene convertito in calore invece che in elettricità.

Eline Hutter, chimico di formazione e fino a quest'anno ricercatore presso AMOLF, pensava che la separazione spontanea degli alogenuri potesse essere impedita sottoponendo il materiale ad alta pressione. "Al tempo, Non sapevo esattamente perché. L'ho chiamata intuizione chimica."

Esperimenti impegnativi

Il gruppo Hybrid Solar Cells di AMOLF aveva precedentemente sviluppato una configurazione molto utile in questo caso:uno spettrometro ad assorbimento transitorio (TAS) in grado di misurare le proprietà elettroniche delle perovskiti ad altissima pressione. "Non esiste un'altra configurazione paragonabile al mondo che combini TAS con una cella di pressione, " dice il leader del gruppo Bruno Ehrler. "Ma inizialmente ero scettico sull'idea di Eline, in parte perché gli esperimenti che avremmo dovuto fare sembravano troppo impegnativi".

Insieme alla sua collega Loreta Muscarella, Eline Hutter ha usato questa configurazione per misurare cosa succede dopo che il materiale è stato illuminato. "Se non c'è pressione sul materiale, osserviamo una separazione di bromo e iodio. Sotto 3000 bar di pressione, vediamo che la separazione non si verifica più."

Soluzione pratica

Questo risultato ha confermato l'ipotesi di Hutter che il volume libero nel materiale, e di conseguenza la pressione, svolge un ruolo cruciale nella separazione degli alogenuri. La produzione di una cella solare sottoposta a una pressione così elevata non è pratica. Però, c'è una soluzione pratica, spiega Hutter. "Se sostituiamo il catione nelle gabbie della perovskite con un catione più piccolo come il cesio, avviene una cosiddetta contrazione chimica. L'intera struttura si restringe, proprio come la terra che si secca e si contrae. L'effetto è esattamente lo stesso di sottoporre il materiale ad alta pressione".

Hutter e i suoi colleghi hanno successivamente utilizzato il TAS per dimostrare che in questa perovskite chimicamente compressa, la separazione di iodio e bromo non avveniva più. Con questo, hanno dimostrato che un aspetto dimenticato della teoria è importante:il volume del materiale era precedentemente escluso dai calcoli, dice Hutter. "Secondo me, ciò che rende questa ricerca così interessante è il legame tra la pressione esterna e quella interna".

Questa è una scoperta fondamentale per rendere stabili le perovskiti, dice Ehrler. "Il focus è stato principalmente sulla cinetica:ritardare il movimento degli ioni per rallentare la separazione. Ora abbiamo dimostrato che aumentando la pressione, cambia la termodinamica:gli ioni si muovono altrettanto velocemente, ma la separazione dello iodio e del bromo non è più energeticamente favorevole. Quindi quella segregazione non c'è più".