nella loro fase gialla, i cristalli sono molto morbidi, paragonabile a un piatto di gelatina. Credito:cMACS
Uno studio condotto per la prima volta da KU Leuven spiega come stabilizzare un tipo promettente di perovskiti, cristalli artificiali in grado di convertire la luce solare in elettricità. Di conseguenza, i cristalli diventano neri, consentendo loro di assorbire la luce solare. Questo è necessario per poterli utilizzare in nuovi pannelli solari facili da realizzare e altamente efficienti. Lo studio è stato pubblicato su Scienza .
Le perovskiti sono materiali semiconduttori che hanno molte applicazioni. Mostrano una particolare promessa nella raccolta dell'energia solare. Attualmente, la maggior parte delle celle solari sono realizzate con cristalli di silicio, un materiale relativamente semplice ed efficace da elaborare a questo scopo. Però, i dispositivi a base di perovskite offrono efficienze di conversione più elevate rispetto al silicio. L'unico problema:alcune delle perovskiti più promettenti, vale a dire il cesio piombo triioduro (CsPbI 3 ), sono molto instabili a temperatura ambiente. In queste condizioni, hanno un colore giallo, poiché gli atomi nel cristallo non formano una struttura perovskite. Affinché i cristalli assorbano efficacemente la luce solare e la trasformino in elettricità, dovrebbero essere in un nero, stato di perovskite e rimani così.
"Il silicio forma un fortissimo, cristallo rigido. Se ci premi sopra, non cambierà la sua forma. D'altra parte, le perovskiti sono molto più morbide e malleabili, " spiega il Dr. Julian Steele del KU Leuven Center for Membrane Separations, Adsorbimento, Catalisi, e spettroscopia per soluzioni sostenibili (cMACS). "Possiamo stabilizzarli in varie condizioni di laboratorio, ma a temperatura ambiente gli atomi di perovskite nera vogliono davvero rimescolare, cambiare struttura, e alla fine trasformano il cristallo in giallo."
Insieme a un team internazionale di scienziati, Steele scoprì che legando una sottile pellicola di celle solari in perovskite a una lastra di vetro, le cellule possono ottenere e mantenere il loro stato di nero desiderato. Il film sottile viene riscaldato a una temperatura di 330 gradi Celsius, facendo sì che le perovskiti si espandano e aderiscano al vetro. Dopo il riscaldamento, il film viene rapidamente raffreddato a temperatura ambiente. Questo processo fissa gli atomi nei cristalli, limitando il loro movimento, in modo che rimangano nella forma nera desiderata.
nel loro stato nero, gli atomi nel cristallo si sono rimescolati. Il loro colore nero consente loro di assorbire in modo ottimale la luce solare. Credito:cMACS
"Ci sono tre pilastri che determinano la qualità delle celle solari:prezzo, stabilità, e prestazioni. Le perovskiti ottengono punteggi elevati in termini di prestazioni e prezzo, ma la loro stabilità è ancora un grosso problema, " dice Steele. Gli scienziati hanno già osservato per diversi anni che le perovskiti possono mantenere la loro oscurità dopo il riscaldamento, ma non era ancora chiaro il motivo. "Nel nostro studio, abbiamo scelto CsPbI 3 perché le sue prestazioni sono molto elevate, " Steel spiega. "Inoltre, è uno dei tipi più instabili di perovskiti, il che significa che è sensibile al metodo che descriviamo, e dovrebbe tradursi in altre perovskiti instabili".
Gran parte dei dati utilizzati nello studio sono stati raccolti presso l'European Synchrotron Radiation Facility. Per comprendere le osservazioni sperimentali su scala molecolare, i colleghi del Center for Molecular Modeling (CMM) dell'Università di Gent hanno supportato la scoperta con simulazioni teoriche delle fasi nera e gialla delle perovskiti. I risultati computazionali erano necessari per razionalizzare il motivo per cui la fase nera si stabilizza quando la si fissa come una pellicola sottile su un substrato di vetro.
Come avviene esattamente il legame, è ancora un mistero, anche se ci sono ipotesi. "Normalmente, prenderemmo un microscopio con risoluzione atomica e daremo direttamente un'occhiata. Però, è impossibile con le perovskiti, poiché sono difficili da osservare con uno strumento di imaging ad alta risoluzione, dal momento che sono così morbidi e inclini a cadere a pezzi sotto l'energia relativamente alta delle sonde comuni."
"Capire come funziona questo meccanismo aiuterà ulteriori ricerche per sviluppare infine pannelli solari che utilizzano cristalli di perovskite pura, "Dice Steele. "Dal momento che il livello di entrata per l'elaborazione di celle solari a base di perovskite è relativamente basso, possono essere molto utili per le persone nei paesi in via di sviluppo che operano in un'infrastruttura più limitata." Inoltre, le perovskiti possono essere utilizzate nei LED, sensori fotoelettrici, transistor, Rivelatori di raggi X e altro ancora.
