Un team di ricercatori del MIT e della Northwestern University ha dimostrato la capacità di mettere a punto le proprietà elettroniche dei materiali ibridi di perovskite, che hanno suscitato enorme interesse come potenziali materiali optoelettronici di prossima generazione per dispositivi come celle solari e sorgenti luminose.

I materiali sono classificati come "ibridi" perché contengono componenti inorganici come metalli, così come molecole organiche con elementi come carbonio e azoto, organizzati in strati su scala nanometrica. In un articolo pubblicato online questa settimana in Chimica della natura , i ricercatori hanno dimostrato che variando strategicamente la composizione degli strati organici, potrebbero sintonizzare il colore della luce assorbita dalla perovskite e anche la lunghezza d'onda alla quale il materiale emette luce. È importante sottolineare che hanno realizzato ciò senza modificare sostanzialmente il componente inorganico.

"Fino ad ora, la maggior parte delle prove sperimentali e teoriche ha indicato che gli strati organici agiscono semplicemente come distanziatori inerti il ​​cui unico ruolo è quello di separare gli strati inorganici elettronicamente attivi, "dice Will Tisdale, l'ARCO Career Development Professor in Energy Studies al MIT e l'autore corrispondente dell'articolo. "Questi nuovi risultati mostrano che possiamo insegnare allo strato organico a fare molto di più".

"Il nostro laboratorio è stato interessato alla progettazione di nuovi materiali ibridi che combinano componenti inorganici e organici al fine di creare proprietà sinergiche, e questo è esattamente ciò che abbiamo fatto in questo lavoro sugli eccitanti materiali energetici noti come perovskiti, "dice Samuel Stupp, Consiglio Direttivo Professore di Chimica, Scienze dei materiali e Ingegneria, Medicinale, e ingegneria biomedica alla Northwestern e co-autore corrispondente sulla carta.

perovskiti, scoperti per la prima volta come minerali naturali nei monti Urali quasi 200 anni fa, sono stati studiati vigorosamente negli ultimi dieci anni dopo che è stato determinato che potevano trasformare la luce in elettricità utilizzabile. Questi materiali sono considerati una possibile chiave per un futuro energetico sostenibile perché sono meno costosi da produrre rispetto alle popolari celle solari a base di silicio, e può convertire la luce in elettricità in modo quasi altrettanto efficiente.

Però, Le celle solari in perovskite sono molto meno resistenti e stabili in condizioni esterne a causa della loro sensibilità al calore e all'umidità. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che suddividere la tradizionale struttura 3D delle perovskiti in molti strati sottili, che vanno da uno spessore di pochi atomi a uno spessore di decine di atomi, migliora la stabilità e le prestazioni.

Nelle perovskiti stratificate, lo strato inorganico assorbe la luce e produce le cariche che alla fine sono necessarie per produrre energia elettrica. Gli strati organici in genere sono isolanti e agiscono come pareti giganti che impediscono alle cariche generate dalla luce di uscire dallo strato inorganico.

"Questa collaborazione è stata entusiasmante perché i materiali che il gruppo Stupp ci ha inviato dalla Northwestern erano esattamente in linea con le domande che ci ponevamo al MIT, su come gli eccitoni negli strati inorganici della perovskite potrebbero essere influenzati dalle proprietà degli strati organici, "dice Katie Mauck, un ex postdoc nel gruppo Tisdale e ora assistente professore di chimica al Kenyon College. Insieme a Giacomo Passarelli, uno studente laureato nel gruppo Stupp, è una co-prima autrice dell'articolo. "L'approccio modulare di James alla sintesi della perovskite ci ha permesso di sintonizzare in modo controllabile l'interazione tra questi strati e studiare in profondità gli effetti sulla dinamica degli eccitoni, attraverso la spettroscopia nel laboratorio di Tisdale."

"Quando la luce viene assorbita da semiconduttori come le perovskiti, gli elettroni con la loro carica negativa acquistano energia e si allontanano, " Dice Stupp. "Questo crea una forza attrattiva con i siti caricati positivamente che lasciano dietro di sé, poiché la materia vuole essere neutrale. Siamo stati in grado di controllare l'entità di questa forza incorporando specifici tipi di molecole all'interno degli strati organici, che a sua volta modifica le loro proprietà interessanti."

La collaborazione Northwestern-MIT è iniziata dopo un incontro casuale tra Mauck e un membro del laboratorio Stupp in una conferenza scientifica nell'estate 2018. Il laboratorio Stupp aveva precedentemente svolto un lavoro pionieristico sulla sintesi di materiali ibridi inorganici-organici per potenziali applicazioni in energia e medicina, mentre il gruppo Tisdale è specializzato nell'uso dei laser per sondare le proprietà dei nanomateriali.

Questi interessi si sono perfettamente sovrapposti per questo progetto, mentre il gruppo Stupp ha sviluppato le strutture ibride di perovskite e il gruppo Tisdale ha eseguito le precise misurazioni spettroscopiche necessarie per confermare le interazioni all'interno dei sistemi.

Nel futuro, la capacità di mettere a punto le proprietà elettroniche di questi materiali potrebbe essere applicata a vari sensori ottici o elettronici, inclusi sensori molecolari che sfruttano la presenza di strati organici, nonché a celle solari e rilevatori di luce.

"Oltre a un percorso verso dispositivi optoelettronici migliorati, questo lavoro sottolinea alcuni dei vantaggi unici dei semiconduttori su nanoscala, che sono più sensibili all'ambiente circostante rispetto ai materiali sfusi, " Dice Tisdale. "Le lezioni che abbiamo imparato nel contesto delle perovskiti ibride a strati possono essere estese a molti altri materiali emergenti".

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.