Morfologia e struttura cristallina di Cs1−xFAxPbI3 QD. un, B, Immagini HAADF-STEM a basso ingrandimento (a) e ad alto ingrandimento (b) di Cs0.5FA0.5PbI3 QD. C, D, Immagine HAADF-STEM a risoluzione atomica rappresentativa (c) e l'immagine HAADF-STEM con codifica a colori derivata (d) di Cs0.5FA0.5PbI3 QD. L'immagine viene visualizzata lungo l'asse della zona cubica [001] stabilita dalla disposizione reticolare simile alla struttura cristallina cubica CsPbI3 (o FAPbI3) originale. (e–g) La vista ingrandita (e), i modelli atomici (f) e l'immagine HAADF-STEM a risoluzione atomica simulata (g) per la regione contrassegnata da un quadrato rosso in c e d. In e, i punti gialli rappresentano la colonna dell'atomo nell'area con distribuzione uniforme del contrasto; i punti rosa e blu (i punti rosa rappresentano gli atomi ad alto contrasto ei punti blu rappresentano gli atomi a basso contrasto) rappresentano le colonne di atomi nell'area con una distribuzione del contrasto distinta. Tutte le immagini STEM sperimentali dei campioni contenenti FA sono distorte a causa della decomposizione della struttura cristallina locale da FAPbI3 a PbI2 sotto illuminazione a fascio di elettroni. h, L'immagine HAADF-STEM a risoluzione atomica simulata. io, I modelli atomici per la vista originale di Cs0.5FA0.5PbI3 QD lungo l'asse della zona [001] dopo la ricostruzione. J, La struttura cristallina stabilita del QD Cs1-xFAxPbI3. Barra della scala, 10 Å (e, G, h). Credito:Hao et al.
Precedenti studi di ricerca hanno evidenziato il potenziale dei materiali perovskite per lo sviluppo di numerosi strumenti tecnologici, compreso il fotovoltaico (PV) e l'optoelettronica. I materiali di perovskite agli alogenuri di piombo organici-inorganici processati in soluzione si sono rivelati particolarmente promettenti, specialmente quelli con una formulazione ABX comune, dove A è un catione organico, B è piombo (Pb) o stagno (Sn) e X è un alogenuro.
Questi materiali hanno diverse proprietà optoelettroniche vantaggiose, compreso un grande coefficiente di assorbimento, una lunga lunghezza di diffusione del vettore e una bassa energia di dissociazione degli eccitoni. È stato recentemente scoperto che le celle solari realizzate con questi materiali raggiungono efficienze di conversione di potenza (PCE) che corrispondono o superano quelle delle celle solari più convenzionali in silicio, tellururo di cadmio e seleniuro di rame indio gallio.
Nonostante i loro vantaggi, le celle solari fatte di perovskiti con una comune formulazione ABX possono avere una serie di limitazioni, compreso il rapido degrado. Una delle composizioni a base di perovskite più promettenti in termini di stabilità, CS 1-x fa X PbI 3 , è stato anche scoperto che le celle solari presentano grandi perdite di tensione a circuito aperto, che finora ne ha impedito l'attuazione su scala più ampia.
Ricercatori dell'Università del Queensland, La Swansea University e altre istituzioni in tutto il mondo hanno recentemente proposto una nuova strategia che potrebbe consentire la creazione di celle solari più affidabili fatte di CS 1-x fa X PbI 3 , contribuendo a superare alcune delle carenze segnalate negli studi precedenti. Questa strategia, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , permette la sintesi controllabile di CS 1-x fa X PbI 3 materiali, che finora si è rivelato molto impegnativo.
"Il sistema misto di cesio e formamidinio piombo triioduro perovskite (CS 1-x fa X PbI 3 ) sotto forma di punti quantici (QD) offre un percorso verso il fotovoltaico e l'optoelettronica stabili a base di perovskite, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. "Tuttavia, rimane difficile sintetizzare tali QD multinari con proprietà desiderabili per celle solari QD ad alte prestazioni (QDSC)."
I ricercatori hanno essenzialmente proposto una strategia che può essere utilizzata per sintetizzare CS . a cationi misti 1-x fa X PbI 3 materiali e controllare alcune delle loro proprietà in modo che possano essere utilizzati per fabbricare celle solari con elevate prestazioni e stabilità. Nei loro esperimenti, questa strategia ha permesso loro di identificare una particolare versione del materiale, vale a dire Cs 0,5 fa 0,5 PbI 3 insieme a un notevole PCE del 16,6% e un'isteresi trascurabile.
Il team ha utilizzato questo materiale per creare dispositivi QD e ha condotto una serie di test per valutarne le prestazioni. Sorprendentemente, i dispositivi presentavano una fotostabilità paragonabile a quella dei materiali a film sottile, mantenendo il 94% del loro PCE originale sotto l'illuminazione continua di un sole per un periodo di 600 ore.
"Riportiamo un'efficace strategia di scambio cationico assistito da ligando di acido oleico (OA) che consente la sintesi controllabile di CS 1-x fa X PbI 3 QD nell'intero intervallo di composizione (x=0-1), che è inaccessibile nei film sottili policristallini a grana grossa, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. "In un ambiente ricco di OA, lo scambio incrociato di cationi è facilitato, consentendo la rapida formazione di CS 1-x fa X PbI 3 QD con ridotta densità di difetti."
Nel futuro, la strategia di scambio cationico assistito da ligando OA ideata da questo team di ricercatori potrebbe aprire la strada alla fabbricazione di nuove celle solari a base di perovskite e tecnologie optoelettroniche altamente efficienti, mentre mostra anche un'elevata fotostabilità e flessibilità. Il loro lavoro potrebbe anche ispirare altri ricercatori a ideare strategie simili, consentendo la sintesi di altri materiali perovskite organico-inorganico processati in soluzione.
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