Un nuovo entusiasmante materiale solare chiamato perovskite ad alogenuri organici-inorganici potrebbe un giorno aiutare gli Stati Uniti a raggiungere le proprie ambizioni solari e a decarbonizzare la rete elettrica. Mille volte più sottile del silicio, i materiali solari di perovskite possono essere sintonizzati per rispondere a diversi colori dello spettro solare semplicemente alterando il loro mix di composizione.

Tipicamente fabbricato da molecole organiche come metilammonio e alogenuri metallici inorganici come ioduro di piombo, i materiali solari ibridi di perovskite hanno un'elevata tolleranza ai difetti nella loro struttura molecolare e assorbono la luce visibile in modo più efficiente del silicio, lo standard del settore solare.

Del tutto, queste qualità rendono le perovskiti promettenti strati attivi non solo nel fotovoltaico (tecnologie che convertono la luce in elettricità), ma anche in altri tipi di dispositivi elettronici che rispondono o controllano la luce, compresi i diodi emettitori di luce (LED), rilevatori, e laser.

"Sebbene le perovskiti offrano un grande potenziale per la grande espansione dell'energia solare, devono ancora essere commercializzati perché la loro sintesi affidabile e la stabilità a lungo termine hanno sfidato a lungo gli scienziati, " ha detto Carolin Sutter-Fella, uno scienziato della Fonderia Molecolare, una struttura per utenti di nanoscienze presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Ora, un percorso verso la perovskite perfetta potrebbe presto essere a portata di mano".

Un recente Comunicazioni sulla natura studio co-guidato da Sutter-Fella riporta che la produzione di materiali solari potrebbe essere aiutata da un nuovo sofisticato strumento che utilizza due tipi di luce - luce a raggi X invisibile e luce laser visibile - per sondare la struttura cristallina di un materiale di perovskite e le proprietà ottiche in quanto è sintetizzato.

"Quando le persone realizzano pellicole solari sottili, in genere hanno un laboratorio di sintesi dedicato e hanno bisogno di andare in un altro laboratorio per caratterizzarlo. Con il nostro sviluppo, puoi sintetizzare e caratterizzare completamente un materiale allo stesso tempo, nello stesso posto, " lei disse.

Per questo lavoro, Sutter-Fella ha riunito un team internazionale di scienziati e ingegneri di prim'ordine per dotare una stazione terminale della linea di raggi X di un laser presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab.

La luce a raggi X altamente intensa del nuovo strumento consente ai ricercatori di sondare la struttura cristallina del materiale di perovskite e svelare dettagli sui processi chimici veloci. Per esempio, può essere utilizzato per caratterizzare ciò che accade nel secondo prima e dopo che una goccia di un agente solidificante trasforma una soluzione di precursore liquido in un film sottile solido.

Allo stesso tempo, il suo laser può essere utilizzato per creare elettroni e lacune (portatori di carica elettrica) nel film sottile di perovskite, permettendo agli scienziati di osservare la risposta di un materiale solare alla luce, sia come prodotto finito che durante le fasi intermedie della sintesi dei materiali.

"Dotare una stazione terminale della linea di raggi X con un laser consente agli utenti di sondare queste proprietà complementari contemporaneamente, " ha spiegato Sutter-Fella.

Questa combinazione di misurazioni simultanee potrebbe diventare parte di un flusso di lavoro automatizzato per monitorare la produzione di perovskiti e altri materiali funzionali in tempo reale per il controllo del processo e della qualità.

I film di perovskite sono generalmente realizzati mediante rivestimento di spin, una tecnica conveniente che non richiede attrezzature costose o complicate configurazioni chimiche. E il caso delle perovskiti diventa ancora più brillante se si considera quanto dispendioso in termini energetici sia solo la produzione di silicio in un dispositivo solare:il silicio richiede una temperatura di elaborazione di circa 2, 732 gradi Fahrenheit. In contrasto, le perovskiti vengono facilmente lavorate dalla soluzione a temperatura ambiente a soli 302 gradi Fahrenheit.

La stazione terminale della linea di luce consente ai ricercatori di osservare cosa accade durante la sintesi, ed in particolare durante i primi secondi di spin coating, una finestra temporale critica durante la quale la soluzione precursore inizia lentamente a solidificarsi in una pellicola sottile.

Primo autore Shambhavi Pratap, specializzato nell'uso dei raggi X per lo studio dei materiali a energia solare a film sottile, ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo dello strumento in qualità di borsista di dottorato ALS. Ha recentemente completato i suoi studi di dottorato nel gruppo Müller-Buschbaum presso l'Università tecnica di Monaco di Baviera.

"Lo strumento consentirà ai ricercatori di documentare come piccole cose che di solito sono date per scontate possono avere un grande impatto sulla qualità e sulle prestazioni dei materiali, " ha detto Pratap.

"Per realizzare celle solari riproducibili ed efficienti a basso costo, tutto conta, " Ha detto Sutter-Fella. Ha aggiunto che lo studio è stato uno sforzo di squadra che ha abbracciato una vasta gamma di discipline scientifiche.

Il lavoro è l'ultimo capitolo di un corpus di lavori per il quale Sutter-Fella è stato insignito del Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Award nel 2017.

"Sappiamo che la comunità di ricerca è interessata a utilizzare questa nuova capacità presso la SLA, " ha detto. "Ora vogliamo renderlo facile da usare in modo che più persone possano trarre vantaggio da questa stazione di arrivo".