Un team di ricercatori guidati dal professor Yabing Qi dell'unità Energy Materials and Surface Sciences dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) in Giappone ha ripreso gli atomi sulla superficie dello strato che assorbe la luce in un nuovo tipo di celle solari di nuova generazione, costituito da un materiale cristallino chiamato perovskite ad alogenuri metallici.

Le loro scoperte, riportato sul giornale Scienze energetiche e ambientali , hanno risolto un mistero di vecchia data nel campo della tecnologia dell'energia solare, mostrando come il cloro che aumenta la potenza e la stabilità è incorporato nel materiale perovskite.

In un mondo ora alimentato da un bisogno di pulizia, energia verde, l'energia solare è una via vitale per uscire dalla crisi climatica. E le perovskiti ad alogenuri metallici sono il materiale emergente che molti ricercatori sperano un giorno eclisserà o completerà le celle solari al silicio che attualmente dominano il mercato.

"Le perovskiti hanno il potenziale per essere più economiche, più efficiente e più versatile del silicio, " ha detto il primo autore Dr. Afshan Jamshaid, un ex dottorato di ricerca studente dell'Unità OIST Energy Materials and Surface Sciences.

Ma attualmente, le celle solari perovskite soffrono di problemi di efficienza, upscaling e stabilità, trattenendoli dalla commercializzazione. Alte temperature, l'umidità e la luce UV possono degradare il materiale perovskite, riducendo la capacità di convertire l'energia luminosa in energia, Ha spiegato il dottor Jamshaid.

Nell'ultima decade, i ricercatori si sono concentrati intensamente sull'affrontare questi problemi. Un modo per migliorare le celle solari di perovskite è stato l'uso di droganti, piccole tracce di un'altra sostanza chimica che vengono aggiunte durante il processo di creazione dello strato di cristallo di perovskite. I droganti modificano le proprietà fisiche e chimiche del materiale, aumentando la stabilità e l'efficienza del dispositivo solare.

Uno di questi droganti è il cloro, che ha dimostrato di aumentare la durata della vita delle celle solari in perovskite e migliorare la loro efficienza di conversione dell'energia. Ma fino ad ora, come funzionasse questo drogante era un enigma.

"La comunità di ricerca non aveva idea del perché vedesse questi miglioramenti. Una volta aggiunti, i ricercatori non sono stati in grado di tracciare il cloro, non hanno potuto dire se il cloro fosse incorporato in profondità nel materiale perovskite, rimasto in superficie o addirittura lasciato il materiale durante il processo di fabbricazione, " ha detto il dottor Jamshaid. "Circa il 50% della comunità credeva che il cloro fosse presente, ma l'altro 50% della comunità no".

Nello studio, il gruppo di ricerca ha finalmente risolto il dibattito creando film sottili di perovskite ad alogenuri metallici, ioduro di piombo di metilammonio, che sono stati drogati con cloro. Hanno usato la microscopia a tunnel di scansione all'avanguardia per visualizzare la superficie dello strato di perovskite.

"È stato solo zoomando fino al livello atomico che siamo stati finalmente in grado di rilevare che il cloro era davvero lì, solo a una concentrazione molto bassa, " ha detto il dottor Jamshaid.

Il team ha scoperto che c'erano depressioni scure sulla superficie che non erano visibili nei film di perovskite di ioduro di piombo metilammonio puro.

Attraverso calcoli teorici eseguiti dai collaboratori Professor Wanjian Yin e Dr. Zhendong Guo della Soochow University in Cina, i ricercatori hanno concluso che queste depressioni scure indicano dove il cloro, che è di dimensioni più piccole, ha sostituito lo iodio debolmente legato all'interno della struttura cristallina della perovskite.

Il gruppo di ricerca ha anche notato che più di queste rientranze scure si sono verificate attorno ai bordi dei grani nel film di perovskite.

Lo strato di perovskite non è un reticolo cristallino uniforme, ma invece è costituito da molti diversi grani di cristallo. È a causa di queste crepe tra i grani, chiamati bordi di grano, quella perovskite è intrinsecamente così instabile.

"La maggior parte della degradazione dalla luce UV, la temperatura o l'umidità si verificano a questi confini del grano, poiché gli ioni qui sono molto più liberamente legati, " ha detto il dottor Jamshaid.

Il team sospetta che la maggiore presenza di cloro attorno a questi bordi di grano possa spiegare la maggiore stabilità ed efficienza del materiale, riducendo il numero di difetti sulla superficie.

È importante sottolineare che i ricercatori hanno scoperto che quando variavano la concentrazione di cloro all'interno del film di perovskite alterando la durata del deposito del cloro, cambiarono anche la struttura superficiale e le proprietà elettroniche del materiale.

Al più breve tempo di deposizione, il team non è stato in grado di rilevare alcun cloro sulla superficie del materiale perovskite. E al tempo di deposizione più lungo, il cloro ha formato un ulteriore strato di ioni sopra la perovskite che ha cambiato drasticamente le proprietà elettroniche.

I ricercatori sono stati in grado di calcolare un tempo di deposizione intermedio che ha raggiunto il punto debole, fornendo una concentrazione ottimale di cloro, intorno al 14,8%, sulla superficie. Questa concentrazione ha conferito al materiale perovskite un'elevata stabilità.

Il prossimo passo per il team di ricerca è produrre una cella solare completa che contenga uno strato di perovskite drogato con questa concentrazione ottimale di cloro.

"Ecco perché studi fondamentali come questi sono così importanti:aiutano gli ingegneri dei dispositivi a individuare il processo di produzione ottimale senza troppi tentativi ed errori, " ha detto il dottor Jamshaid. "Capendo come i droganti migliorano il materiale, può anche guidarci verso nuove miscele chimiche che potrebbero funzionare ancora meglio."