I ricercatori del dipartimento dei materiali del College of Engineering della UC Santa Barbara hanno scoperto una delle principali cause di limitazione dell'efficienza in una nuova generazione di celle solari.

Vari possibili difetti nel reticolo delle cosiddette perovskiti ibride erano stati precedentemente considerati come la potenziale causa di tali limitazioni, ma si presumeva che le molecole organiche (i componenti responsabili del moniker "ibrido") sarebbero rimaste intatte. Calcoli all'avanguardia hanno ora rivelato che la mancanza di atomi di idrogeno in queste molecole può causare enormi perdite di efficienza. I risultati sono pubblicati in un articolo intitolato "Minimizzare le vacanze di idrogeno per consentire perovskiti ibride altamente efficienti, " nel numero del 29 aprile della rivista Materiali della natura .

Le notevoli prestazioni fotovoltaiche delle perovskiti ibride hanno creato grande entusiasmo, dato il loro potenziale per far progredire la tecnologia delle celle solari. "Ibrido" si riferisce all'incorporamento di molecole organiche in un reticolo di perovskite inorganica, che ha una struttura cristallina simile a quella del minerale perovskite (ossido di calcio e titanio). I materiali mostrano efficienze di conversione di potenza che rivaleggiano con quelle del silicio, ma sono molto più economici da produrre. Difetti nel reticolo cristallino della perovskite, però, sono noti per creare una dissipazione di energia indesiderata sotto forma di calore, che limita l'efficienza.

Un certo numero di gruppi di ricerca ha studiato tali difetti, tra questi il ​​gruppo del professore di materiali UCSB Chris Van de Walle, che di recente ha fatto breccia scoprendo un dannoso difetto in un luogo che nessuno aveva mai visto prima:sulla molecola organica.

"Metilammonio piombo ioduro è il prototipo della perovskite ibrida, " ha spiegato Xie Zhang, ricercatore capo del progetto. "Abbiamo scoperto che è sorprendentemente facile rompere uno dei legami e rimuovere un atomo di idrogeno sulla molecola di metilammonio. La risultante "vacanza di idrogeno" funge quindi da dissipatore per le cariche elettriche che si muovono attraverso il cristallo dopo essere state generate dalla luce che cade sulla cella solare. Quando queste cariche vengono catturate nel posto vacante, non possono più svolgere un lavoro utile, come caricare una batteria o alimentare un motore, da qui la perdita di efficienza."

La ricerca è stata resa possibile da tecniche computazionali avanzate sviluppate dal gruppo Van de Walle. Tali calcoli all'avanguardia forniscono informazioni dettagliate sul comportamento quantomeccanico degli elettroni nel materiale. Marco Turiansky, uno studente laureato senior nel gruppo di Van de Walle che è stato coinvolto nella ricerca, ha contribuito a creare approcci sofisticati per trasformare queste informazioni in valori quantitativi per l'intrappolamento dei vettori di carica.

"Il nostro gruppo ha creato potenti metodi per determinare quali processi causano perdita di efficienza, "Turiansky ha detto, "ed è gratificante vedere l'approccio fornire tali preziose intuizioni per un'importante classe di materiali."

"I calcoli agiscono come un microscopio teorico che ci permette di scrutare il materiale con una risoluzione molto più alta di quella che si può ottenere sperimentalmente, " Van de Walle ha spiegato. "Essi costituiscono anche una base per la progettazione razionale dei materiali. Attraverso tentativi ed errori, è stato scoperto che le perovskiti in cui la molecola di metilammonio è sostituita da formamidinio mostrano prestazioni migliori. Ora siamo in grado di attribuire questo miglioramento al fatto che i difetti dell'idrogeno si formano meno facilmente nel composto di formamidinio.

"Questa intuizione fornisce una chiara motivazione per la saggezza empiricamente stabilita che il formamidinio è essenziale per realizzare celle solari ad alta efficienza, " ha aggiunto. "Sulla base di queste intuizioni fondamentali, gli scienziati che fabbricano i materiali possono sviluppare strategie per sopprimere i difetti dannosi, potenziare ulteriori miglioramenti dell'efficienza nelle celle solari."