Nell'ultima decade, le perovskiti, una vasta gamma di materiali con una struttura cristallina specifica, sono emerse come alternative promettenti alle celle solari al silicio, poiché sono più economici e più ecologici da produrre, raggiungendo un livello di efficienza comparabile.

Però, le perovskiti mostrano ancora significative perdite di prestazioni e instabilità, in particolare nei materiali specifici che promettono la massima efficienza finale. La maggior parte delle ricerche fino ad oggi si è concentrata sui modi per rimuovere queste perdite, ma le loro reali cause fisiche rimangono sconosciute.

Ora, in un articolo pubblicato oggi in Natura , ricercatori del gruppo del Dr. Sam Stranks presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biotecnologie dell'Università di Cambridge e il Laboratorio Cavendish, e l'unità di spettroscopia a femtosecondi del professor Keshav Dani presso l'OIST in Giappone, identificare la fonte del problema. La loro scoperta potrebbe semplificare gli sforzi per aumentare l'efficienza delle perovskiti, avvicinandoli alla produzione di massa.

I materiali in perovskite sono molto più tolleranti ai difetti nella loro struttura rispetto alle celle solari al silicio, e precedenti ricerche effettuate dal gruppo di Stranks hanno scoperto che in una certa misura, una certa eterogeneità nella loro composizione migliora effettivamente le loro prestazioni come celle solari ed emettitori di luce.

Però, l'attuale limitazione dei materiali perovskite è la presenza di una "trappola profonda" causata da un certo tipo di difetto, o piccolo difetto, nel materiale. Queste sono aree nel materiale in cui i portatori di carica energizzati possono rimanere bloccati e ricombinarsi, perdendo la loro energia per il calore, piuttosto che convertirlo in elettricità o luce utile. Questo indesiderato processo di ricombinazione può avere un impatto significativo sull'efficienza e sulla stabilità dei pannelli solari e dei LED.

Fino ad ora, si sapeva ben poco sulla causa di queste trappole, in parte perché sembrano comportarsi in modo piuttosto diverso dalle trappole nei materiali tradizionali delle celle solari.

Nel 2015, Il Dr. Stranks e colleghi hanno pubblicato un articolo su Science che esaminava la luminescenza delle perovskiti, che rivela quanto sono bravi ad assorbire o emettere luce. "Abbiamo scoperto che il materiale era molto eterogeneo; avevi regioni abbastanza grandi che erano luminose e luminescenti, e altre regioni che erano davvero buie, " dice Stranks. "Queste regioni scure corrispondono alle perdite di potenza nelle celle solari o nei LED. Ma cosa stava causando la perdita di potenza era sempre un mistero, soprattutto perché le perovskiti sono altrimenti così tolleranti ai difetti".

A causa delle limitazioni delle tecniche di imaging standard, il gruppo non poteva dire se le aree più scure fossero causate da uno, grande sito di trappole, o tante trappole più piccole, rendendo difficile stabilire il motivo per cui si stavano formando solo in determinate regioni.

Più tardi nel 2017, Il gruppo del professor Keshav Dani all'OIST ha pubblicato un articolo in Nanotecnologia della natura , dove hanno realizzato un film su come si comportano gli elettroni nei semiconduttori dopo aver assorbito la luce. "Puoi imparare molto dalla possibilità di vedere come si muovono le cariche in un materiale o in un dispositivo dopo aver brillato di luce. Ad esempio, puoi vedere dove potrebbero essere intrappolati, "dice Dani. "Tuttavia, queste cariche sono difficili da visualizzare poiché si muovono molto velocemente, sulla scala temporale di un milionesimo di miliardesimo di secondo; e su distanze molto brevi, sulla scala della lunghezza di un miliardesimo di metro."

Sentendo del lavoro di Dani, Il Dr. Stranks ha contattato per vedere se potevano lavorare insieme per affrontare il problema della visualizzazione delle regioni scure nelle perovskiti.

Il team dell'OIST ha utilizzato per la prima volta una tecnica chiamata microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM) sulle perovskiti, dove hanno sondato il materiale con luce ultravioletta e costruito un'immagine basata su come gli elettroni emessi si sono dispersi.

Quando hanno guardato il materiale, hanno scoperto che le regioni oscure contenevano trappole, circa 10-100 nanometri di lunghezza, che erano gruppi di siti di trappole di dimensioni atomiche più piccole. Questi gruppi di trappole erano sparsi in modo non uniforme in tutto il materiale di perovskite, spiegando la luminescenza eterogenea vista nelle precedenti ricerche di Stranks.

intrigante, quando i ricercatori hanno sovrapposto le immagini dei siti delle trappole a immagini che mostravano i grani di cristallo del materiale di perovskite, hanno scoperto che i gruppi di trappole si sono formati solo in luoghi specifici, ai confini tra alcuni grani.

Per capire perché questo si è verificato solo a determinati bordi di grano, i gruppi hanno lavorato insieme al team del professor Paul Midgley del Dipartimento di scienza dei materiali e metallurgia dell'Università di Cambridge utilizzando una tecnica chiamata diffrazione elettronica a scansione per creare immagini dettagliate della struttura cristallina della perovskite. Il team del progetto ha utilizzato la configurazione della microscopia elettronica presso la struttura ePSIC presso il Diamond Light Source Synchrotron, che dispone di apparecchiature specializzate per l'imaging di materiali sensibili al raggio, come le perovskiti.

"Poiché questi materiali sono molto sensibili al raggio, le tecniche tipiche che utilizzeresti per sondare la struttura cristallina locale su queste scale di lunghezza cambieranno abbastanza rapidamente il materiale mentre lo guardi, che può rendere molto difficile l'interpretazione dei dati", spiega Tiarnan Doherty, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Stranks e co-autore dello studio. "Anziché, siamo stati in grado di utilizzare dosi di esposizione molto basse e quindi prevenire danni.

"Dal lavoro all'OIST, sapevamo dove si trovavano i gruppi di trappole, e all'ePSIC, abbiamo scansionato quelle stesse aree per vedere la struttura locale. Siamo quindi stati in grado di individuare rapidamente variazioni inaspettate nella struttura cristallina attorno agli ammassi di trappole".

Il gruppo ha scoperto che i gruppi di trappole si formavano solo in corrispondenza delle giunzioni dove un'area del materiale con una struttura leggermente distorta incontrava un'area con una struttura incontaminata.

"Nelle perovskiti, abbiamo questi grani regolari di materiale a mosaico e la maggior parte dei grani sono belli e incontaminati, la struttura che ci aspetteremmo, "dice Stranks. "Ma ogni tanto, ottieni un grano leggermente distorto e la chimica di quel grano è disomogenea. Ciò che è stato veramente interessante e che inizialmente ci ha confuso, era che non è il grano distorto che è la trappola ma dove quel grano incontra un grano incontaminato; è a quell'incrocio che si raggruppano le trappole."

Con questa comprensione della natura delle trappole, il team dell'OIST ha anche utilizzato la strumentazione PEEM personalizzata per visualizzare le dinamiche del processo di intrappolamento dei portatori di carica che si verifica nel materiale perovskite. "Questo è stato possibile poiché una delle caratteristiche uniche della nostra configurazione PEEM è che può visualizzare processi ultraveloci, brevi come femtosecondi, " spiega Andrew Winchester, un dottorato di ricerca studente presso l'Unità del Prof. Dani, e co-autore principale di questo studio. "Abbiamo scoperto che il processo di intrappolamento era dominato da portatori di carica che si diffondevano ai cluster di trappole".

Queste scoperte rappresentano un importante passo avanti nella ricerca di portare le perovskiti nel mercato dell'energia solare.

"Ancora non sappiamo esattamente perché le trappole si stiano raggruppando lì, ma ora sappiamo che si formano lì, e apparentemente solo lì, " dice Stranks. "Questo è eccitante perché significa che ora sappiamo su cosa puntare per aumentare le prestazioni delle perovskiti. Dobbiamo prendere di mira quelle fasi disomogenee o sbarazzarci di questi svincoli in qualche modo".

"Il fatto che i portatori di carica debbano prima diffondersi nelle trappole potrebbe anche suggerire altre strategie per migliorare questi dispositivi, "dice Dani. "Forse potremmo alterare o controllare la disposizione dei gruppi di trappole, senza necessariamente modificare il loro numero medio, in modo tale che i portatori di carica abbiano meno probabilità di raggiungere questi siti difettosi".

La ricerca dei team si è concentrata su una particolare struttura di perovskite. Gli scienziati ora esamineranno se la causa di questi gruppi di intrappolamento è universale in altri materiali di perovskite.

"La maggior parte dei progressi nelle prestazioni del dispositivo sono stati tentativi ed errori e finora, questo è stato un processo piuttosto inefficiente, " dice Stranks. "Ad oggi, in realtà non è stato guidato dalla conoscenza di una causa specifica e dal targeting sistematico di quella. Questa è una delle prime scoperte che ci aiuterà a utilizzare la scienza fondamentale per progettare dispositivi più efficienti".