Nelle celle solari, si perde circa due terzi dell'energia della luce solare. La metà di questa perdita è dovuta a un processo chiamato "raffreddamento del vettore caldo" in cui i fotoni ad alta energia perdono l'energia in eccesso sotto forma di calore prima di essere convertiti in elettricità. Gli scienziati di AMOLF hanno trovato un modo per manipolare la velocità di questo processo nelle perovskiti applicando una pressione sul materiale. Questo apre la strada a rendere le perovskiti più versatili, non solo per l'uso in celle solari ma anche in una varietà di altre applicazioni, dai laser ai dispositivi termoelettrici. I ricercatori pubblicheranno il loro studio nel Journal of Physical Chemistry Letters il 23 aprile.

Le perovskiti sono un materiale promettente per le celle solari di futura generazione, perché sono realizzati con ingredienti economici ed è facile modificare la loro composizione per soddisfare esigenze specifiche, come le celle solari in qualsiasi colore desiderato. I ricercatori del gruppo Hybrid Solar Cells di AMOLF cercano di aumentare l'efficienza e la durata dei semiconduttori di perovskite ibrida scoprendo le proprietà fondamentali delle perovskiti. Una di queste proprietà è la velocità con cui si verifica il cosiddetto raffreddamento del vettore caldo, il che è rilevante anche se le perovskiti vengono utilizzate in altre applicazioni.

Raffreddamento del vettore caldo

Nelle celle solari, l'energia della luce che corrisponde al bandgap del semiconduttore viene convertita direttamente in elettricità. Questa via diretta non è disponibile per i fotoni con un'energia maggiore. Questi fotoni generano i cosiddetti portatori caldi:elettroni (e lacune) ad alta energia che devono raffreddarsi prima di poter essere raccolti sotto forma di energia elettrica. Il raffreddamento dei portatori caldi avviene spontaneamente:i portatori caldi perdono la loro energia in eccesso sotto forma di calore attraverso la dispersione fino a raggiungere il livello di energia di conduzione del semiconduttore. Cercando di capire questo processo nelle perovskiti, dottorato di ricerca la studentessa Loreta Muscarella incontra diverse difficoltà, uno di questi è la scala temporale. Lei dice, "Il raffreddamento del vettore caldo avviene molto velocemente, tipicamente su una scala temporale da femtosecondi a picosecondi, il che rende difficile manipolare o persino investigare il processo. Siamo fortunati ad avere una configurazione unica con uno spettrometro ad assorbimento transitorio (TAS) in combinazione con apparecchiature a pressione nel nostro gruppo. Questo ci consente di misurare le proprietà elettroniche della perovskite sotto stress esterno pochi femtosecondi dopo aver puntato la luce sul materiale".

Manipolare con la pressione

Era già noto che sotto un'illuminazione abbondante il raffreddamento del vettore caldo nei semiconduttori di perovskite è molto più lento che nei semiconduttori di silicio. Ciò rende lo studio del processo molto più fattibile nella perovskite piuttosto che nel silicio. Muscarella e i suoi colleghi hanno ipotizzato che la velocità del processo di raffreddamento potrebbe dipendere dalla pressione. "I vettori caldi perdono la loro energia in eccesso attraverso vibrazioni e dispersione. L'applicazione di una pressione aumenta le vibrazioni all'interno del materiale, e dovrebbe quindi aumentare la velocità di raffreddamento del vettore caldo, " dice. "Abbiamo deciso di testare questa ipotesi e abbiamo scoperto che possiamo effettivamente manipolare il tempo di raffreddamento con la pressione. A 3000 volte la pressione ambiente, il processo è due o tre volte più veloce."

Una cella solare non sarebbe in grado di funzionare a pressioni così elevate, ma un effetto simile può essere ottenuto con la deformazione interna. Muscarella:"Abbiamo fatto i nostri esperimenti con pressioni esterne, ma nelle perovskiti è possibile indurre una deformazione interna alterando chimicamente il materiale o la sua crescita, come abbiamo già dimostrato nel nostro gruppo".

Velocità di raffreddamento per diverse applicazioni

Essere in grado di controllare la velocità di raffreddamento del vettore caldo consente varie altre applicazioni delle perovskiti oltre alle celle solari. "La possibilità di progettare perovskiti per colori specifici non solo le rende molto interessanti per le celle solari colorate, ma anche per laser o tecnologia LED. In tali applicazioni, il raffreddamento rapido dei vettori caldi è essenziale, proprio come nelle celle solari convenzionali. Il raffreddamento lento, d'altra parte, renderebbe le perovskiti adatte a dispositivi termoelettrici che convertono una differenza di temperatura in elettricità. Quindi la possibilità di regolare la velocità di raffreddamento del vettore caldo consente un'intera gamma di dispositivi che potrebbero essere realizzati con perovskiti, " dice Muscarella. Immagina persino di applicare una pressione negativa sul materiale per rendere ancora più lento il processo di raffreddamento del vettore caldo per un tipo specifico di cella solare.

"Dal momento che la dissipazione del calore rappresenta quasi il trenta percento della perdita di efficienza nelle celle solari, gli scienziati stanno cercando modi per raccogliere i vettori caldi prima che si siano raffreddati. Attualmente, anche il raffreddamento "lento" delle perovskiti a pressione ambiente è ancora troppo veloce per le cosiddette celle solari hot-carrier. Ora, questi vettori caldi perdono la loro energia in eccesso sotto forma di calore entro picosecondi. Però, se potessimo indurre una deformazione negativa, potrebbe essere possibile rendere il processo abbastanza lento da essere applicato in un dispositivo funzionante".