Gli ingegneri della Rice University hanno scoperto una tecnologia che potrebbe ridurre il costo delle sorgenti di elettroni a semiconduttore, componenti chiave in dispositivi che vanno dagli occhiali per la visione notturna e le fotocamere per condizioni di scarsa illuminazione ai microscopi elettronici e agli acceleratori di particelle.

In un documento di Nature Communications ad accesso aperto, I ricercatori di Rice e i collaboratori del Los Alamos National Laboratory (LANL) descrivono il primo processo per creare sorgenti di elettroni da film sottili di perovskite di alogenuro che convertono in modo efficiente la luce in elettroni liberi.

I produttori spendono miliardi di dollari ogni anno in sorgenti di elettroni a fotocatodo realizzate con semiconduttori contenenti elementi rari come gallio, selenio, cadmio e tellurio.

"Questo dovrebbe essere ordini di grandezza inferiori in termini di costo rispetto a quello che esiste oggi sul mercato, ", ha affermato l'autore corrispondente dello studio Aditya Mohite, uno scienziato dei materiali di riso e un ingegnere chimico. Ha detto che le perovskiti ad alogenuri hanno il potenziale per superare le fonti di elettroni a semiconduttore esistenti in diversi modi.

"Primo, c'è la combinazione di efficienza quantica e durata, " ha detto Mohite. "Anche attraverso questo è stato un proof-of-concept, e la prima dimostrazione di perovskiti ad alogenuri come sorgenti di elettroni, l'efficienza quantica era solo circa quattro volte inferiore a quella dei fotocatodi di arseniuro di gallio disponibili in commercio. E abbiamo scoperto che le perovskiti ad alogenuri avevano una vita più lunga dell'arseniuro di gallio".

Un altro vantaggio è che i fotocatodi di perovskite sono realizzati mediante rivestimento di spin, un metodo a basso costo che può essere facilmente scalato, disse Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e di scienza dei materiali e nanoingegneria.

"Abbiamo anche scoperto che i fotocatodi di perovskite degradati possono essere facilmente rigenerati rispetto ai materiali convenzionali che di solito richiedono la ricottura ad alta temperatura, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno testato dozzine di fotocatodi di perovskite ad alogenuri, alcuni con efficienze quantistiche fino al 2,2%. Hanno dimostrato il loro metodo creando fotocatodi con componenti sia inorganici che organici, e hanno mostrato di poter sintonizzare l'emissione di elettroni sia sullo spettro visibile che su quello ultravioletto.

L'efficienza quantistica descrive l'efficacia di un fotocatodo nel convertire la luce in elettroni utilizzabili.

"Se ogni fotone in arrivo genera un elettrone e tu raccogli ogni elettrone, avresti il ​​100% di efficienza quantica, " ha detto l'autore principale dello studio Fangze Liu, un associato di ricerca post-dottorato presso LANL. "I migliori fotocatodi a semiconduttore oggi hanno efficienze quantistiche intorno al 10-20%, e sono tutti realizzati con materiali estremamente costosi utilizzando processi di fabbricazione complessi. I metalli sono talvolta usati anche come sorgenti di elettroni, e l'efficienza quantica del rame è molto piccola, circa 0,01%, ma è ancora usato, ed è una tecnologia pratica."

Il risparmio sui costi dei fotocatodi perovskite ad alogenuri si presenterebbe in due forme:le materie prime per realizzarli sono abbondanti e poco costose, e il processo di fabbricazione è più semplice e meno costoso rispetto ai semiconduttori tradizionali.

"C'è un enorme bisogno di qualcosa che sia a basso costo e che possa essere scalato, " ha detto Mohite. "Utilizzando materiali elaborati in soluzione, dove puoi letteralmente dipingere una vasta area, è completamente inaudito per realizzare il tipo di semiconduttori di alta qualità necessari per i fotocatodi."

Il nome "perovskite" si riferisce sia a un minerale specifico scoperto in Russia nel 1839 sia a qualsiasi composto con la struttura cristallina di quel minerale. Le perovskiti ad alogenuri sono queste ultime, e può essere fatto mescolando piombo, stagno e altri metalli con sali di bromuro o ioduro.

La ricerca sui semiconduttori di perovskite ad alogenuri è decollata in tutto il mondo dopo che gli scienziati nel Regno Unito hanno utilizzato cristalli simili a fogli del materiale per realizzare celle solari ad alta efficienza nel 2012. Altri laboratori da allora hanno dimostrato che i materiali possono essere utilizzati per produrre LED, fotorilevatori, celle fotoelettrochimiche per la scissione dell'acqua e altri dispositivi.

mohite, un esperto di perovskiti che ha lavorato come ricercatore presso LANL prima di entrare in Rice nel 2018, ha affermato che uno dei motivi per cui il progetto del fotocatodo perovskite ad alogenuri ha avuto successo è che i suoi collaboratori nel gruppo di ricerca Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies di LANL sono "uno dei migliori team al mondo per esplorare nuovi materiali e tecnologie per i fotocatodi".

I fotocatodi funzionano secondo l'effetto fotoelettrico di Einstein, rilasciando elettroni liberi quando vengono colpiti da luce di una particolare frequenza. La ragione per cui le efficienze quantistiche dei fotocatodi sono tipicamente basse è perché anche i minimi difetti, come un singolo atomo fuori posto nel reticolo cristallino, possono creare "pozzi potenziali" che intrappolano gli elettroni liberi.

"Se hai dei difetti, tutti i tuoi elettroni si perderanno, " Ha detto Mohite. "Ci vuole molto controllo. E ci sono voluti molti sforzi per trovare un processo per realizzare un buon materiale perovskite".

Mohite e Liu hanno usato il rivestimento per centrifugazione, una tecnica ampiamente utilizzata in cui il liquido viene fatto cadere su un disco in rapida rotazione e la forza centrifuga diffonde il liquido sulla superficie del disco. Negli esperimenti di Mohite e Liu, lo spin-coating è avvenuto in atmosfera di argon per limitare le impurità. Una volta filato, i dischi sono stati riscaldati e posti in alto vuoto per convertire il liquido in cristallo con una superficie pulita.

"Ci sono volute molte iterazioni, " Ha detto Mohite. "Abbiamo provato a mettere a punto la composizione del materiale e il trattamento superficiale in molti modi per ottenere la giusta combinazione per la massima efficienza. Questa è stata la sfida più grande".

Ha detto che il team sta già lavorando per migliorare l'efficienza quantistica dei suoi fotocatodi.

"La loro efficienza quantica è ancora inferiore a quella dei semiconduttori all'avanguardia, e abbiamo proposto nel nostro articolo che ciò sia dovuto alla presenza di elevati difetti superficiali, " ha detto. "Il prossimo passo è fabbricare cristalli di perovskite di alta qualità con densità di difetti superficiali inferiori.