Tra i materiali conosciuti come perovskiti, uno dei più interessanti è un materiale in grado di convertire la luce solare in elettricità con la stessa efficienza delle odierne celle solari in silicio commerciali e ha il potenziale per essere molto più economico e più facile da produrre.

C'è solo un problema:delle quattro possibili configurazioni atomiche, o fasi, questo materiale può prendere, tre sono efficienti ma instabili a temperatura ambiente e in ambienti ordinari, e tornano rapidamente alla quarta fase, che è completamente inutile per le applicazioni solari.

Ora gli scienziati della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno trovato una nuova soluzione:posizionare semplicemente la versione inutile del materiale in una cella a incudine di diamante e strizzarla ad alta temperatura. Questo trattamento spinge la sua struttura atomica in una configurazione efficiente e la mantiene tale, anche a temperatura ambiente e in aria relativamente umida.

I ricercatori hanno descritto i loro risultati in Comunicazioni sulla natura .

"Questo è il primo studio che utilizza la pressione per controllare questa stabilità, e apre davvero molte possibilità, " disse Yu Lin, uno scienziato e ricercatore dello staff SLAC presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

"Ora che abbiamo trovato questo modo ottimale per preparare il materiale, " lei disse, "C'è il potenziale per ampliarlo per la produzione industriale, e per aver utilizzato questo stesso approccio per manipolare altre fasi della perovskite".

Una ricerca di stabilità

Le perovskiti prendono il nome da un minerale naturale con la stessa struttura atomica. In questo caso gli scienziati hanno studiato una perovskite ad alogenuro di piombo che è una combinazione di iodio, piombo e cesio.

Una fase di questo materiale, nota come fase gialla, non ha una vera struttura perovskite e non può essere utilizzata nelle celle solari. Però, gli scienziati hanno scoperto tempo fa che se lo elabori in certi modi, si trasforma in una fase di perovskite nera che è estremamente efficiente nel convertire la luce solare in elettricità. "Questo lo ha reso molto ricercato e al centro di molte ricerche, ", ha affermato la professoressa di Stanford e coautrice dello studio Wendy Mao.

Sfortunatamente, queste fasi nere sono anche strutturalmente instabili e tendono a ricadere rapidamente nella configurazione inutile. Più, funzionano con alta efficienza solo ad alte temperature, Mao ha detto, ei ricercatori dovranno superare entrambi questi problemi prima che possano essere utilizzati in dispositivi pratici.

C'erano stati precedenti tentativi di stabilizzare le fasi nere con la chimica, ceppo o temperatura, ma solo in un ambiente privo di umidità che non riflette le condizioni reali in cui operano le celle solari. Questo studio ha combinato pressione e temperatura in un ambiente di lavoro più realistico.

Pressione e calore fanno il trucco

Lavorando con i colleghi dei gruppi di ricerca di Stanford di Mao e il professor Hemamala Karunadasa, Lin e il ricercatore post-dottorato Feng Ke hanno progettato una configurazione in cui i cristalli di fase gialla sono stati schiacciati tra le punte dei diamanti in quella che è nota come una cella di incudine di diamante. Con la pressione ancora su, i cristalli sono stati riscaldati a 450 gradi Celsius e poi raffreddati.

Sotto la giusta combinazione di pressione e temperatura, i cristalli sono passati dal giallo al nero e sono rimasti nella fase nera dopo che la pressione è stata rilasciata, hanno detto gli scienziati. Erano resistenti al deterioramento dovuto all'aria umida e rimanevano stabili ed efficienti a temperatura ambiente per 10-30 giorni o più.

L'esame con raggi X e altre tecniche ha confermato il cambiamento nella struttura cristallina del materiale, e i calcoli dei teorici del SIMES Chunjing Jia e Thomas Devereaux hanno fornito informazioni su come la pressione ha modificato la struttura e preservato la fase nera.

La pressione necessaria per annerire i cristalli e mantenerli così era di circa 1, 000 a 6, 000 volte la pressione atmosferica, Lin ha detto:circa un decimo delle pressioni normalmente utilizzate nell'industria dei diamanti sintetici. Quindi uno degli obiettivi per ulteriori ricerche sarà trasferire ciò che i ricercatori hanno appreso dai loro esperimenti con le cellule di incudine di diamante all'industria e aumentare il processo per portarlo nel regno della produzione.