È stata sviluppata una nuova tecnica che consente di acquisire immagini affidabili a risoluzione atomica, per la prima volta, di film sottili di perovskite fotoattiva ibrida. Queste immagini hanno implicazioni significative per migliorare le prestazioni dei materiali delle celle solari e hanno ampliato la comprensione di questi materiali tecnologicamente importanti. La svolta è stata raggiunta da un team congiunto dell'Università di Oxford e Diamond Light Source che ha appena pubblicato un nuovo documento da pubblicare in Scienza il 30 ottobre, intitolato "Microstruttura su scala atomica della perovskite ad alogenuri metallici".

Utilizzando il microscopio E02 ePSIC (The Electron Physical Science Imaging Center) e il microscopio ARM200 presso il Dipartimento dei materiali, Università di Oxford, il team ha sviluppato una nuova tecnica che ha permesso loro di visualizzare i film sottili di perovskiti fotoattive ibride con risoluzione atomica. Ciò ha fornito loro intuizioni senza precedenti sulla loro composizione atomica e ha fornito loro informazioni invisibili a ogni altra tecnica.

Dr. Mathias Uller Rothmann del Dipartimento di Fisica, Università di Oxford, spiega, "Questo è il passo finale sulla strada per essere in grado di immaginare, e quindi capire, questi importanti materiali delle celle solari al più fondamentale, livello atomico. Si tratta di una scoperta significativa che non è mai stata compiuta con successo prima, nonostante questi materiali siano tra i più studiati al mondo negli ultimi otto anni. Il materiale si danneggia incredibilmente rapidamente sotto un raggio di elettroni, quindi abbiamo dovuto ridurre la dose di elettroni al punto in cui stavamo correndo ai limiti di ciò che i rivelatori possono registrare. Infatti, il danno si verifica così velocemente che in condizioni di imaging "normali", il danno è fatto prima che te ne accorga. Ciò significa che probabilmente esiste una quantità relativamente ampia di letteratura che ha fatto osservazioni basate sulla versione danneggiata del materiale, e non quello che va nelle celle solari reali."

I meccanismi alla base delle prestazioni impressionanti di queste particolari perovskiti devono ancora essere completamente compresi, ma probabilmente dipendono da proprietà a livello atomico che possono essere uniche per loro.

Dottor Chris Allen, il principale microscopista elettronico di ePSIC afferma; "L'imaging di materiali sensibili al raggio a risoluzione atomica è estremamente impegnativo, poiché gli elettroni ad alta energia tendono a danneggiare il campione, alterando la sua struttura atomica. Adattando una tecnica di imaging non solitamente associata all'imaging a bassa dose di elettroni, questa collaborazione tra scienziati dell'Università di Oxford ed ePSIC ha raggiunto una risoluzione senza precedenti su questa importante classe di materiali. Questo non solo ha risposto alle domande sulla struttura atomica delle perovskiti ibride, ma apre anche strade di ricerca su molti altri materiali sensibili al raggio".

Il documento esamina una combinazione di condizioni che ora possono essere utilizzate per l'imaging dei materiali e immagini di proprietà microscopiche che non sono mai state osservate prima in questi materiali. Il team lo descrive come rivoluzionario perché consente agli scienziati di studiare esattamente quale sia la composizione locale dei film con precisione e accuratezza atomiche. Questa tecnica è abbastanza ampiamente utilizzata per studiare altri materiali, ma a causa della natura notevolmente instabile delle perovskiti fotoattive, soprattutto sotto un fascio di elettroni, questo non è stato possibile fino ad ora per le perovskiti ibride.

"Utilizzando il nostro protocollo, siamo stati in grado di descrivere l'esatta natura atomica dei bordi di grano, uno degli aspetti più poco conosciuti delle celle solari a perovskite, oltre a descrivere una gamma completamente nuova di difetti dei cristalli che possono avere un impatto significativo sulle prestazioni macroscopiche dei dispositivi a celle solari. Si potrebbe dire che ora abbiamo sbloccato il livello successivo di capacità di comprendere questi materiali entusiasmanti. Anche se non abbiamo ancora un quadro completo di cosa significherà questo per lo sviluppo di queste celle solari, i ricercatori saranno ora in grado di dare risposte certe invece di ipotesi plausibili quando cercano di rispondere a domande sulle proprietà microscopiche dei materiali delle celle solari in perovskite. Rispondere a queste domande sarà un enorme passo avanti per guidare il settore verso celle solari sempre più performanti, e, forse, verso la prevenzione di una catastrofe climatica, " conclude il dottor Rothmann.

La nuova tecnica del team ha permesso loro di osservare una gamma completamente nuova di fenomeni relativi alle perovskiti ibride, comprese proprietà importanti come l'esatta composizione dei bordi dei grani e altre interfacce, che altre tecniche non sono state in grado di risolvere. Inoltre, il team ha osservato una serie di difetti cristallografici che non sono mai stati considerati per le perovskiti ibride e che sono noti in altri materiali delle celle solari per essere altamente dannosi per le prestazioni complessive. La rimozione di questi difetti sarà importante per alte prestazioni, ma fino ad ora, era impossibile identificare in modo affidabile la loro presenza.