I ricercatori AMOLF Erik Garnett, Susan Rigter, e colleghi sono i primi ad aver dimostrato inconfutabilmente l'esistenza della perovskite amorfa. Il materiale può aumentare significativamente l'efficienza delle celle solari prodotte dalla perovskite. La ricerca è pubblicata oggi sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

perovskite, il nuovo materiale altamente promettente per le celle solari, è naturalmente cristallino; in altre parole, gli atomi si impacchettano in uno schema ordinato. Dalle tradizionali celle solari al silicio, sappiamo che l'efficienza delle cellule può essere aumentata se una parte del materiale è amorfa, il che significa che gli atomi si raggruppano casualmente.

Erik Garnett (AMOLF Nanoscale Solar Cells) è stato il primo a realizzare che la perovskite amorfa poteva svolgere la stessa funzione. La sfida successiva era produrre il materiale e studiarne le proprietà. Garnett spiega perché è stato difficile:"La perovskite è costituita da ioni. Per natura, questi si organizzano facilmente in un reticolo cristallino, proprio come il sale da tavola, Per esempio. Dovevamo trovare un trucco per impedire la formazione di quei cristalli, e siamo riusciti a fare proprio questo. Utilizzando tecniche come la diffrazione dei raggi X, successivamente abbiamo anche dimostrato che il materiale è amorfo. Con questo, abbiamo fornito la prima prova inconfutabile dell'esistenza della perovskite amorfa".

L'aceto rende la perovskite amorfa

Il trucco che Garnett, prima autrice dell'articolo Susan Rigter, e i loro colleghi hanno applicato variando la quantità di acetato di metilammonio, uno dei componenti della perovskite. Più acetato (l'ingrediente chiave dell'aceto) si traduce in più perovskite amorfa perché ostacola il processo di cristallizzazione e accelera la scomparsa del solvente. "Siamo rimasti davvero sorpresi dal fatto che potessimo formare perovskite amorfa, quindi abbiamo voluto indagare sul meccanismo di formazione, " dice Garnett. "Abbiamo dimostrato che come tappa intermedia, nella soluzione si forma un complesso che impedisce la cristallizzazione. Quando successivamente riscaldiamo la soluzione per far evaporare il solvente, il complesso si decompone così rapidamente che non ha il tempo di cristallizzarsi."

Il metodo che i ricercatori hanno ideato per produrre perovskite amorfa è ampiamente applicabile. La perovskite più studiata è lo ioduro di piombo di metilammonio, ma la sintesi funziona anche con altri sali di ammonio e con altri alogenuri come il bromuro al posto dello ioduro. Per di più, è emerso che la variazione di questi componenti ha prodotto uno spostamento nel bandgap, una proprietà della sostanza che indica quale colore di luce la cella solare assorbe e converte in elettricità nel modo più efficiente. La capacità di regolare la banda proibita amorfa consente di combinare molti materiali con bande proibite diverse, portando a celle solari più efficienti.

Celle solari efficienti

Analogamente alle celle solari al silicio, uno strato amorfo di perovskite può aiutare a migliorare l'efficienza fornendo un cosiddetto strato passivante, dice Garnet. Gli elettroni vengono rilasciati nel materiale a causa della luce che colpisce una cella solare. Questi elettroni si spostano in superficie dove vengono rimossi tramite contatti elettronici. Questo dà origine a una corrente. In un cristallo, gli elettroni possono rimanere intrappolati al confine del cristallo. In record di celle solari al silicio, uno strato passivante amorfo assicura che ciò non accada, portando a una maggiore potenza in uscita dalla cella solare. Anche la perovskite amorfa potrebbe svolgere questa funzione, che aumenterebbe ulteriormente l'efficienza delle celle solari a perovskite. "Misuriamo l'emissione di luce più forte e più longeva quando si utilizza la perovskite amorfa come strato passivante, che è un'indicazione per una cella solare più performante, "dice Garnet.

Perciò, il prossimo passo nella ricerca è produrre questo tipo di cella solare, partendo da uno strato di perovskite cristallina ricoperto da uno strato di perovskite amorfa. Questo è più difficile che produrre solo perovskite amorfa perché lo strato cristallino sottostante fornisce un modello ordinato, rendendo più facile per gli atomi impacchettarsi in modo ordinato. "Considero l'analogia con il silicio l'aspetto più entusiasmante della nostra ricerca, " dice Garnett. "Penso che questa sia una svolta significativa per le perovskiti con enormi possibilità".