Le prestazioni e la stabilità delle celle solari dipendono dalla morfologia dei film sottili, soprattutto la loro capacità di cristallizzare nella cosiddetta fase α fotoattiva. Le perovskiti contenenti piombo tendono a combinare vari alogenuri, come le forme anioniche del bromo e dello iodio, con miscele di metilammonio, formamidinio, cesio e altri cationi. Questi hanno portato a registrare efficienze di conversione e stabilità termiche rispetto al loro singolo alogenuro, analoghi a singolo catione. Però, questi ad alogenuri misti, film di perovskite a cationi misti sono stati caratterizzati solo attraverso tecniche di ex-situpostdeposition. Ciò limita la comprensione dei meccanismi che regolano la loro crescita dal loro precursore sol-gel al loro stato solido e blocca i tentativi di migliorare le prestazioni e la stabilità del dispositivo.

Ora, Stefano De Wolf, il suo postdoc Kai Wang e i suoi colleghi hanno studiato l'impatto dei cationi, colatura di alogenuri e antisolvente su alogenuri misti, film di perovskite a cationi misti. Il team ha monitorato l'evoluzione strutturale dei film durante il processo di deposizione del rivestimento di spin utilizzando una tecnica di diffusione dei raggi X in situ. La tecnica a raggi X ha sondato i film su scala atomica dal loro precursore sol-gel allo stato solido e ha fornito informazioni sulla formazione di intermedi cristallini durante la solidificazione. I ricercatori hanno anche incorporato i film nelle celle solari e valutato le prestazioni e la stabilità dei dispositivi risultanti.

"Il nostro studio fornisce approfondimenti critici sulla cristallizzazione dei sistemi multicomponente verso celle solari in perovskite ad alte prestazioni, " Dice Wang. I cambiamenti nelle composizioni dell'alogenuro e del catione hanno influenzato drammaticamente la solidificazione dei precursori della perovskite durante lo spin coating e la successiva formazione della fase α desiderata dopo l'aggiunta di antisolvente.

Il periodo necessario per generare film di alta qualità mediante aggiunta di antisolvente è terminato quando la struttura sol-gel è collassata per produrre sottoprodotti cristallini a seconda della miscela precursore. Di conseguenza, la messa a punto della miscela alogenuro-catione potrebbe ritardare questo collasso, allargando la finestra di gocciolamento dell'antisolvente da pochi secondi a diversi minuti. Anche, l'incorporazione simultanea di cationi cesio e rubidio nella perovskite stimolava sinergicamente la formazione della fase α. La lunghezza di questa finestra ha mostrato scarso effetto sulle prestazioni delle celle solari risultanti fintanto che l'antisolvente è stato aggiunto entro questo periodo.

Questi risultati suggeriscono nuove direzioni per lo sviluppo di formulazioni di perovskite che possono stabilizzare ulteriormente lo stato sol-gel e promuovere la sua conversione alla fase di perovskite desiderabile. "Questo è fondamentale per ottenere prestazioni migliori, riproducibile, produzione economica e scalabile di celle solari in perovskite, " dice Wang.

Il team sta lavorando per trasferire questa conoscenza ad altre tecnologie di deposizione per progredire verso celle solari perovskite pronte per il mercato.