I progettisti di celle solari sanno che le loro creazioni devono fare i conti con un'ampia gamma di temperature e tutti i tipi di condizioni meteorologiche, condizioni che possono influire sulla loro efficienza e sulla durata utile.

L'assistente professore di chimica e biochimica della Florida State University Lea Nienhaus e l'ex ricercatrice post-dottorato dell'FSU Sarah Wieghold stanno aiutando a comprendere i processi fondamentali in un materiale noto come perovskiti, lavoro che potrebbe portare a celle solari più efficienti che svolgono anche un lavoro migliore nel resistere al degrado. Hanno scoperto che piccole modifiche alla composizione chimica dei materiali, nonché l'entità del campo elettrico a cui è esposto, possono influenzare notevolmente la stabilità complessiva del materiale.

Il loro ultimo lavoro è pubblicato in un paio di studi in Journal of Materials Chemistry C e Journal of Applied Physics.

La loro ricerca è focalizzata sul miglioramento del potenziale delle perovskiti, un materiale con una struttura cristallina basata su ioni di piombo con carica positiva noti come cationi e anioni di alogenuro con carica negativa. In una struttura cristallina cubica di perovskite, gli ottaedri formati dagli ioni piombo e alogenuro sono circondati da ulteriori cationi carichi positivamente.

Le prime celle solari in perovskite, che sono stati sviluppati nel 2006, aveva un'efficienza di conversione dell'energia solare di circa il 3%, ma le celle sviluppate nel 2020 hanno un'efficienza di conversione della potenza superiore al 25%. Quel rapido aumento dell'efficienza li rende un materiale promettente per ulteriori ricerche, ma hanno svantaggi per la redditività commerciale, come una tendenza a degradarsi rapidamente.

"Come possiamo rendere le perovskiti più stabili nelle condizioni del mondo reale in cui verranno utilizzate?" ha detto Nienhaus. "Cosa sta causando il degrado? Questo è quello che stiamo cercando di capire. Le perovskiti che non si degradano rapidamente potrebbero essere uno strumento prezioso per ottenere più energia dalle celle solari".

Le perovskiti sono un cosiddetto "materiale morbido, " nonostante i legami ionici del reticolo cristallino che costituiscono la loro struttura. Gli alogenuri o cationi nel materiale possono muoversi attraverso quel reticolo, che possono aumentare il loro tasso di degradazione, con conseguente mancanza di stabilità a lungo termine.

Nel Journal of Materials Chemistry C carta, i ricercatori hanno studiato l'influenza combinata della luce e della temperatura elevata sulle prestazioni delle perovskiti ad alogenuri misti a cationi misti.

Hanno scoperto che l'aggiunta di una piccola quantità dell'elemento cesio al film di perovskite aumenta la stabilità del materiale alla luce e alle temperature elevate. Aggiunta di rubidio, d'altra parte, portato a prestazioni peggiori.

"Abbiamo scoperto che, a seconda della scelta del catione, in questi materiali si possono osservare due vie di degradazione, che abbiamo poi correlato ad una diminuzione delle prestazioni, " disse Wieghold, ora assistente scienziato presso il Center for Nanoscale Materials e l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory. "Abbiamo anche dimostrato che l'aggiunta di cesio ha aumentato la stabilità del film nelle nostre condizioni di test, che sono risultati molto promettenti."

Hanno anche scoperto che una diminuzione delle prestazioni del film per le miscele di perovskite meno stabili era correlata con la formazione del composto bromuro/ioduro di piombo e un aumento delle interazioni elettrone-fonone. La formazione di bromuro/ioduro di piombo è dovuta al meccanismo di degradazione indesiderata, che deve essere evitato per ottenere la stabilità e le prestazioni a lungo termine di queste celle solari in perovskite.

Nell'articolo del Journal of Applied Physics, hanno esplorato il legame tra la tensione e le prestazioni dei materiali perovskite. Ciò ha mostrato che il movimento degli ioni nel materiale modifica la risposta elettrica sottostante, che sarà un fattore critico nelle prestazioni fotovoltaiche.

"Le perovskiti rappresentano una grande opportunità per il futuro delle celle solari, ed è emozionante aiutare a far progredire questa scienza, " Ha detto Nienhaus.