Un promettente materiale semiconduttore potrebbe essere migliorato se si riducono i difetti precedentemente ritenuti irrilevanti per le prestazioni, secondo una ricerca pubblicata oggi in Comunicazioni sulla natura . Un gruppo di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute e di altre università ha dimostrato che un difetto specifico influisce sulla capacità dell'alogenuro perovskite di trattenere l'energia derivata dalla luce sotto forma di elettroni.

"I difetti possono essere buoni o cattivi nei semiconduttori, " ha detto Jian Shi, professore associato di ingegneria delle scienze dei materiali. "Per qualche ragione, la gente non ha prestato attenzione alle dislocazioni nella perovskite ad alogenuri, ma abbiamo dimostrato che questo difetto è un problema nella perovskite ad alogenuri".

La ricerca sulla perovskite ad alogenuri ha rapidamente migliorato l'efficienza del materiale da circa il 3% di conversione della luce in energia elettrica al 25%, equivalente alle celle solari al silicio allo stato dell'arte, nel corso di un decennio. I ricercatori hanno lottato con il silicio per decenni per raggiungere l'attuale livello di efficienza di quel materiale.

La perovskite ad alogenuri ha anche dinamiche portanti promettenti, che sono approssimativamente definiti come il periodo di tempo in cui l'energia luminosa assorbita dal materiale viene trattenuta sotto forma di un elettrone eccitato. Per fare una buona prospettiva per la conversione dell'energia solare, gli elettroni nel materiale devono conservare la loro energia abbastanza a lungo da essere raccolti da un elettrodo attaccato al materiale, completando così la conversione della luce in energia elettrica.

Il materiale era stato a lungo considerato "tollerante ai difetti, "significa difetti come atomi mancanti, legami scadenti attraverso i grani del cristallo, e non si credeva che un disallineamento noto come dislocazione cristallografica avesse un grande impatto sull'efficienza. Ricerche più recenti hanno messo in dubbio questa ipotesi e hanno scoperto che alcuni difetti influiscono sugli aspetti delle prestazioni del cristallo.

Il team di Shi ha testato se il difetto della dislocazione cristallografica influisce sulla dinamica dei portatori facendo crescere il cristallo su due diversi substrati. Un substrato ha avuto una forte interazione con l'alogenuro perovskite mentre veniva depositato, producendo una maggiore densità di dislocazioni. L'altro aveva un'interazione più debole e produceva una minore densità di dislocazioni.

I risultati mostrano che le dislocazioni influiscono negativamente sulla dinamica del portatore della perovskite alogena. Si è scoperto che la riduzione della densità di dislocazione di più di un ordine di grandezza porta ad un aumento della durata degli elettroni di quattro volte.

"Una conclusione è che la perovskite ad alogenuri ha un effetto di dislocazione simile ai semiconduttori convenzionali, " Shi ha detto. "Dobbiamo stare attenti alle dislocazioni nella perovskite ad alogenuri, che è un fattore che le persone hanno ignorato mentre lavorano su questo materiale".

L'ultimo lavoro significativo di Shi sulla perovskite ad alogenuri ha rivelato il ruolo della pressione sulle proprietà ottiche di questo semiconduttore pubblicato in Progressi scientifici nel 2018.

A Rensselaer, Shi è stato affiancato da ricercatori sia del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali che del Dipartimento di Fisica, Fisica Applicata e Astronomia. Ricercatori della Kunming University of Science and Technology, Università di Tsinghua, Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino, Forschungszentrum Julich, e Brown University hanno anche contribuito alla ricerca.

"Miglioramento della durata del vettore nella perovskite ad alogenuri tramite epitassia remota" è stato pubblicato il 12 settembre in Comunicazioni sulla natura .