Le persone possono essere brave a nascondere la tensione, e non siamo soli. Le celle solari hanno lo stesso talento. Per una cella solare, la tensione fisica all'interno della sua microscopica struttura cristallina può interrompere la sua funzione principale, convertire la luce solare in elettricità, essenzialmente "perdendo" energia sotto forma di calore. Per un tipo emergente di cella solare, note come perovskiti ad alogenuri di piombo, ridurre e domare questa perdita è la chiave per migliorare l'efficienza e mettere le perovskiti alla pari con le odierne celle solari al silicio.

Per capire dove si accumula la tensione all'interno di una cella solare e innesca la perdita di energia, gli scienziati devono visualizzare la struttura granulare sottostante dei cristalli di perovskite all'interno della cella solare. Ma l'approccio migliore consiste nel bombardare la cella solare con elettroni ad alta energia, che essenzialmente brucia la cella solare e la rende inutile.

I ricercatori dell'Università di Washington e dell'Istituto FOM per la fisica atomica e molecolare nei Paesi Bassi hanno sviluppato un modo per illuminare la deformazione nelle celle solari di perovskite ad alogenuri di piombo senza danneggiarle. Il loro approccio, pubblicato online il 10 settembre in Joule , è riuscito a visualizzare la struttura dei grani di una cella solare a perovskite, mostrando che il disorientamento tra i cristalli microscopici di perovskite è il principale contributore all'accumulo di deformazione all'interno della cella solare. Il disorientamento del cristallo crea difetti su piccola scala nella struttura dei grani, che interrompono il trasporto di elettroni all'interno della cella solare e portano alla perdita di calore attraverso un processo noto come ricombinazione non radiativa.

"Combinando la nostra immagine ottica con il nuovo rivelatore di elettroni sviluppato alla FOM, possiamo effettivamente vedere come i singoli cristalli sono orientati e messi insieme all'interno di una cella solare di perovskite, ", ha affermato l'autore senior David Ginger, un professore di chimica dell'UW e capo scienziato presso il Clean Energy Institute con sede all'UW. "Possiamo dimostrare che la deformazione si accumula a causa dell'orientamento dei grani, che sono le informazioni che i ricercatori possono utilizzare per migliorare la sintesi della perovskite e i processi di produzione per realizzare celle solari migliori con una sollecitazione minima e quindi una perdita di calore minima dovuta alla ricombinazione non radiativa".

Le perovskiti agli alogenuri di piombo sono economiche, composti cristallini stampabili che si promettono come a basso costo, alternative adattabili ed efficienti alle celle solari al silicio o all'arseniuro di gallio oggi ampiamente utilizzate. Ma anche le migliori celle solari in perovskite perdono un po' di elettricità sotto forma di calore in punti microscopici sparsi nella cella, che smorza l'efficienza.

Gli scienziati hanno utilizzato a lungo la microscopia a fluorescenza per identificare le posizioni sulla superficie delle celle solari di perovskite che riducono l'efficienza. Ma per identificare le posizioni dei difetti che causano la perdita di calore, i ricercatori devono immaginare la vera struttura della grana del film, secondo il primo autore Sarthak Jariwala, uno studente di dottorato UW in scienza e ingegneria dei materiali e un borsista laureato del Clean Energy Institute.

"Storicamente, l'imaging della vera struttura del grano sottostante della cella solare non è stato possibile senza danneggiare la cella solare, " disse Jariwala.

Gli approcci tipici per visualizzare la struttura interna utilizzano una forma di microscopia elettronica chiamata diffrazione di retrodiffusione elettronica, che normalmente brucerebbe la cella solare. Ma gli scienziati dell'Istituto FOM per la fisica atomica e molecolare, guidato dai co-autori Erik Garnett e Bruno Ehrler, sviluppato un rivelatore migliorato in grado di catturare immagini di diffrazione di retrodiffusione di elettroni a tempi di esposizione inferiori, preservare la struttura della cella solare.

Le immagini delle celle solari in perovskite del laboratorio di Ginger rivelano una struttura a grani che ricorda il fondale secco di un lago, con "crepe" che rappresentano i confini tra migliaia di singoli grani di perovskite. Utilizzando questi dati di imaging, i ricercatori hanno potuto per la prima volta mappare l'orientamento 3D dei cristalli all'interno di una cella solare in perovskite funzionante. Potrebbero anche determinare dove il disallineamento tra i cristalli ha creato tensione.

Quando i ricercatori hanno sovrapposto le immagini della struttura del grano della perovskite con centri di ricombinazione non radiativa, che Jariwala ha ripreso utilizzando la microscopia a fluorescenza, hanno scoperto che la ricombinazione non radiativa potrebbe verificarsi anche lontano dai confini visibili.

"Pensiamo che la deformazione deformi localmente la struttura della perovskite e causi difetti, " ha detto Ginger. "Questi difetti possono quindi interrompere il trasporto di corrente elettrica all'interno della cella solare, causando ricombinazione non radiativa, anche altrove sulla superficie."

Mentre il team di Ginger ha precedentemente sviluppato metodi per "guarire" alcuni di questi difetti che fungono da centri di ricombinazione non radiativa nelle celle solari di perovskite, idealmente i ricercatori vorrebbero sviluppare metodi di sintesi della perovskite che ridurrebbero o eliminerebbero del tutto la ricombinazione non radiativa.

"Ora possiamo esplorare strategie come controllare la dimensione dei grani e l'orientamento diffuso durante il processo di sintesi della perovskite, " ha detto Ginger. "Potrebbero essere percorsi per ridurre il disorientamento e la tensione e prevenire la formazione di difetti in primo luogo."