Gli scienziati di HZB hanno stampato ed esplorato diverse composizioni di perovskiti a base di alogenuro di cesio (CsPb(Br _X io _1−x ) ₃ (0 ≤ x ≤ 1)). In un intervallo di temperatura tra la temperatura ambiente e 300 gradi Celsius, osservano le transizioni di fase strutturali che influenzano le proprietà elettroniche. Lo studio fornisce un metodo rapido e semplice per valutare nuove composizioni di materiali perovskite al fine di identificare candidati per applicazioni in celle solari a film sottile e dispositivi optoelettronici.

Le perovskiti ad alogenuri ibridi (ABX3) sono nate in pochi anni come nuovi materiali altamente efficienti per le celle solari a film sottile. La A sta per un catione, una molecola organica o un metallo alcalino, la B è un metallo, il più delle volte piombo (Pb) e la X è un elemento alogenuro come bromuro o ioduro. Attualmente alcune composizioni raggiungono efficienze di conversione di potenza superiori al 25%. Inoltre, la maggior parte dei film sottili di perovskite può essere facilmente lavorata dalla soluzione a temperature di lavorazione moderate, che è molto economico.

Efficienze record mondiali sono state raggiunte da molecole organiche come il metilammonio (MA) come catione A e Pb e iodio o bromuro negli altri siti. Ma quelle perovskiti organiche non sono ancora molto stabili. Le perovskiti inorganiche con cesio nel sito A promettono stabilità più elevate, ma composti semplici come CsPbI ₃ o CsPbBr ₃ non sono molto stabili o non forniscono le proprietà elettroniche necessarie per applicazioni in celle solari o altri dispositivi optoelettronici.

Ora, un team di HZB ha esplorato le composizioni di CsPb(Br _X io _1-x )3, che forniscono gap di banda ottica sintonizzabili tra 1,73 e 2,37 eV. Questo rende queste miscele davvero interessanti per applicazioni di celle solari multigiunzione, in particolare per i dispositivi tandem.

Per la produzione hanno utilizzato un metodo di nuova concezione per la stampa di film sottili di perovskite combinatoria per produrre variazioni sistematiche di (CsPb(BrxI _1-x ) ₃ film sottili su un substrato. Per realizzare questo, due testine di stampa sono state riempite con CsPbBr ₂ I o CsPbI ₃ e quindi programmato per stampare la quantità richiesta di goccioline di liquido sul substrato per formare un film sottile della composizione desiderata. Dopo la ricottura a 100 gradi Celsius per espellere il solvente e cristallizzare il campione, hanno ottenuto strisce sottili con diverse composizioni (mostrate in foto).

Con una speciale sorgente di raggi X ad alta intensità, il getto di metallo liquido nel laboratorio LIMAX a HZB, la struttura cristallina del film sottile è stata analizzata a diverse temperature, che vanno dalla temperatura ambiente fino a 300 gradi Celsius. "Troviamo che tutte le composizioni studiate si convertono in una fase cubica di perovskite ad alta temperatura, " Hampus Nasström, dottorato di ricerca spiega lo studente e primo autore della pubblicazione. Dopo il raffreddamento, tutti i campioni passano a fasi di perovskite metastabile tetragonale e ortorombica distorta, che li rendono adatti per dispositivi a celle solari. "Questo ha dimostrato di essere un caso d'uso ideale di XRD in situ con la sorgente di raggi X ad alta brillantezza basata su laboratorio, "Roland Magonza, responsabile del laboratorio LIMAX, aggiunge.

Poiché le temperature di transizione nelle fasi desiderate diminuiscono con l'aumentare del contenuto di bromuro, ciò consentirebbe di abbassare le temperature di lavorazione per le celle solari a perovskite inorganica.

"L'interesse per questa nuova classe di materiali solari è enorme, e le possibili variazioni compositive prossime all'infinito. Questo lavoro dimostra come produrre e valutare sistematicamente un'ampia gamma di composizioni, "dice la dottoressa Eva Unger, che dirige la formazione e la messa in scala dei materiali ibridi del gruppo di ricercatori giovani. Dottor Thomas Unold, il capo del gruppo Combinatorial Energy Materials Research concorda e suggerisce che "questo è un ottimo esempio di come gli approcci ad alto rendimento nella ricerca potrebbero accelerare notevolmente la scoperta e l'ottimizzazione dei materiali nella ricerca futura".