Il sole fornisce più energia alla Terra in un'ora di quanta l'umanità ne consumi in un anno intero. Scienziati di tutto il mondo sono alla ricerca di materiali in grado di catturare in modo efficiente ed economico questa energia priva di carbonio e convertirla in elettricità.

perovskiti, una classe di materiali con una struttura cristallina unica, potrebbe superare la tecnologia attuale per la raccolta dell'energia solare. Sono più economici dei materiali utilizzati nelle attuali celle solari, e hanno dimostrato notevoli proprietà fotovoltaiche, comportamento che consente loro di convertire in modo molto efficiente la luce solare in elettricità.

Rivelare la natura delle perovskiti su scala atomica è fondamentale per comprendere le loro promettenti capacità. Questa intuizione può aiutare a informare i modelli per determinare la composizione ottimale dei materiali di perovskite per le celle solari, che può essere utilizzato per alimentare veicoli, dispositivi elettronici e persino riscaldamento domestico e altri elettrodomestici.

Gli scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno partecipato a una collaborazione guidata dalla Duke University, insieme all'Oak Ridge National Laboratory del DOE e ad altri collaboratori, per studiare il funzionamento interno di un materiale di perovskite utilizzando le capacità di diffusione di raggi X di livello mondiale ad Argonne e le capacità di diffusione di neutroni a Oak Ridge. Le capacità di dispersione hanno permesso agli scienziati di osservare il comportamento del materiale su scala atomica, e lo studio ha rivelato che il movimento simile a un liquido nelle perovskiti può spiegare come producono in modo efficiente correnti elettriche.

"C'è molta eccitazione intorno a questi materiali, ma non capiamo del tutto perché sono così buoni fotovoltaici, ", ha affermato Olivier Delaire della Duke University, scienziato capo dello studio.

Quando la luce colpisce un materiale fotovoltaico, eccita gli elettroni, spingendoli a uscire dai loro atomi e viaggiare attraverso il materiale, condurre elettricità. Un problema comune è che gli elettroni eccitati possono ricombinarsi con gli atomi invece di viaggiare attraverso il materiale, che può ridurre significativamente l'elettricità prodotta rispetto alla quantità di luce solare che colpisce il materiale.

"Le perovskiti fanno bene a prevenire la ricombinazione, ", ha affermato Ray Osborn di Argonne. "Vogliamo sapere quale meccanismo causa questo e se possiamo imparare da questo per creare celle solari migliori".

Il team ha studiato una delle perovskiti più semplici, un composto di cesio, piombo e bromo (CsPbBr ₃ )—per capire cosa sta succedendo su scala atomica.

Utilizzando le capacità di diffusione dei raggi X presso la linea di luce del gruppo di materiali magnetici di Argonne (6-ID-D) presso l'Advanced Photon Source del laboratorio, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, il team ha catturato le posizioni medie degli atomi in un cristallo di perovskite a diverse temperature. Hanno scoperto che ogni atomo di piombo e la gabbia circostante di atomi di bromo formano unità rigide che si comportano come molecole. Queste unità oscillano o oscillano avanti e indietro in modo liquido.

"Le molecole in questo materiale ruotano attorno alle altre molecole come se fossero incernierate insieme, e intorno ai cardini, le molecole agiscono in modo floscio, " disse Delaire.

Una teoria per spiegare come le perovskiti resistono alla ricombinazione è che queste distorsioni nel reticolo, o struttura cristallina, seguono gli elettroni liberi mentre attraversano il materiale. Gli elettroni potrebbero deformare il reticolo, causando i disturbi simili a liquidi, che poi impediscono loro di ricadere negli atomi che li ospitano. Questa teoria, rafforzata dai nuovi risultati sperimentali, può fornire nuove informazioni su come progettare materiali di perovskite ottimali per le celle solari.

I dati indicano anche che le molecole nel materiale oscillano all'interno di piani bidimensionali, senza movimento attraverso gli aerei, simile a una giostra di carnevale che oscilla solo da sinistra a destra, ma mai davanti a dietro. La natura bidimensionale delle distorsioni del cristallo potrebbe essere un altro pezzo del puzzle per spiegare come la perovskite possa prevenire la ricombinazione degli elettroni, contribuendo all'efficienza del materiale.

Secondo Osborn, i modelli bidimensionali nei dati di diffusione dei raggi X non erano mai stati visti. "Sulla base di queste misurazioni inaspettate, volevamo scavare ancora più a fondo non solo guardando le posizioni atomiche medie, ma come si muovono gli atomi in tempo reale, " Egli ha detto.

Per studiare direttamente il moto degli atomi, il team ha utilizzato le capacità di diffusione dei neutroni presso la Spallation Neutron Source, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'Oak Ridge National Laboratory. I ricercatori della divisione Scienza dei materiali di Argonne e della Northwestern University hanno sviluppato il grande, cristalli della scala centimetrica necessari per le misurazioni dei neutroni.

La diffusione dei neutroni ha confermato lo schema imprevisto visto nell'esperimento di diffusione dei raggi X, ma ha mostrato, Inoltre, che non ci vuole quasi energia perché le molecole oscillino in due dimensioni. Questo aiuta a spiegare perché gli elettroni eccitati possono deformare il reticolo così facilmente.

"Questo lavoro è un bellissimo esempio della complementarità di neutroni e raggi X nel rivelare sia la struttura che la dinamica di materiali complessi, " disse Osborn, che è stato coinvolto in entrambe le serie di misurazioni.

Lo studio rappresenta un passo avanti per sfruttare appieno l'energia rinnovabile in gran parte non sfruttata dal sole, che potrebbe avere un impatto significativo sia sull'ambiente che sull'economia.