I pannelli solari, noti anche come fotovoltaici, si basano su dispositivi a semiconduttore, o celle solari, per convertire l'energia dal sole in elettricità.

Per generare elettricità, le celle solari necessitano di un campo elettrico per separare le cariche positive da quelle negative. Per ottenere questo campo, i produttori in genere drogano la cella solare con sostanze chimiche in modo che uno strato del dispositivo porti una carica positiva e un altro strato una carica negativa. Questo design multistrato assicura che gli elettroni fluiscano dal lato negativo di un dispositivo al lato positivo, un fattore chiave per la stabilità e le prestazioni del dispositivo. Ma il drogaggio chimico e la sintesi a strati aggiungono anche passaggi extra costosi nella produzione di celle solari.

Ora, un team di ricercatori guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE, in collaborazione con l'UC Berkeley, ha dimostrato una soluzione unica che offre un approccio più semplice alla produzione di celle solari:un materiale solare cristallino con un campo elettrico:una proprietà resa possibile da ciò che gli scienziati chiamano "ferroelettricità". Il materiale è stato riportato all'inizio di quest'anno sulla rivista Science Advances .

Il nuovo materiale ferroelettrico, che viene coltivato in laboratorio dal cesio germanio tribromuro (CsGeBr₃ o CGB):apre le porte a un approccio più semplice alla realizzazione di dispositivi a celle solari. A differenza dei materiali solari convenzionali, i cristalli CGB sono intrinsecamente polarizzati, in cui un lato del cristallo accumula cariche positive e l'altro lato accumula cariche negative, senza bisogno di drogaggio.

Oltre ad essere ferroelettrico, il CGB è anche una "perovskite ad alogenuri" senza piombo, una classe emergente di materiali solari che ha incuriosito i ricercatori per la loro convenienza e facilità di sintesi rispetto al silicio. Ma molte delle perovskiti agli alogenuri con le migliori prestazioni contengono naturalmente l'elemento piombo. Secondo altri ricercatori che pubblicano su Materials Today Energy nel 2017, i resti di piombo dalla produzione e dallo smaltimento di materiale solare perovskite potrebbero contaminare l'ambiente e presentare problemi di salute pubblica. Per questi motivi, i ricercatori hanno cercato nuove formulazioni di perovskite agli alogenuri che evitano il piombo senza compromettere le prestazioni.

"Se riesci a immaginare un materiale solare senza piombo che non solo raccolga energia dal sole, ma abbia anche il vantaggio aggiuntivo di avere un campo elettrico formato naturalmente e spontaneamente, le possibilità nell'industria dell'energia solare e dell'elettronica sono piuttosto eccitanti", ha affermato Co-autore senior Peidong Yang, uno dei principali esperti di nanomateriali noto per il suo lavoro pionieristico in nanofili semiconduttori unidimensionali per nuove tecnologie di celle solari e fotosintesi artificiale. È uno scienziato senior della facoltà nella divisione Scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di chimica, scienze dei materiali e ingegneria alla UC Berkeley.

Il CGB potrebbe anche promuovere una nuova generazione di dispositivi di commutazione, sensori e memorie super stabili che rispondono alla luce, ha affermato il co-autore senior Ramamoorthy Ramesh, che ha ricoperto il titolo di scienziato senior della facoltà presso la Divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di scienze dei materiali e ingegneria presso la UC Berkeley al momento dello studio e ora è vicepresidente della ricerca presso la Rice University.

I film solari in perovskite sono in genere realizzati utilizzando metodi di rivestimento in soluzione a basso costo, come il rivestimento in rotazione o la stampa a getto d'inchiostro. E a differenza del silicio, che richiede una temperatura di elaborazione di circa 2.732 gradi Fahrenheit per essere prodotto in un dispositivo solare, le perovskiti possono essere facilmente trasformate da una soluzione a temperatura ambiente a circa 300 gradi Fahrenheit e per i produttori, queste temperature di elaborazione inferiori ridurrebbero drasticamente i costi energetici.

Ma nonostante il loro potenziale impulso al settore dell'energia solare, i materiali solari in perovskite non saranno pronti per il mercato fino a quando i ricercatori non supereranno le sfide di lunga data nella sintesi e nella stabilità dei prodotti e nella sostenibilità dei materiali.

Individuare la perfetta perovskite ferroelettrica

Le perovskiti cristallizzano da tre diversi elementi; e ogni cristallo di perovskite è delineato dalla formula chimica ABX₃

La maggior parte dei materiali solari perovskiti non sono ferroelettrici perché la loro struttura atomica cristallina è simmetrica, come un fiocco di neve. Negli ultimi due decenni, ricercatori di energia rinnovabile come Ramesh e Yang sono stati alla ricerca di perovskiti esotiche con potenziale ferroelettrico, in particolare perovskiti asimmetriche.

Alcuni anni fa, la prima autrice Ye Zhang, che all'epoca era una ricercatrice laureata alla UC Berkeley nel laboratorio di Yang, si chiese come potesse realizzare una perovskite ferroelettrica senza piombo. Ha teorizzato che posizionare un atomo di germanio al centro di una perovskite ne distorcerebbe la cristallinità quel tanto che basta per generare ferroelettricità. Inoltre, una perovskite a base di germanio libererebbe il materiale dal piombo. (Zhang è ora ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University.)

Ma anche se Zhang si era concentrato sul germanio, c'erano ancora delle incertezze. Dopotutto, evocare la migliore formula di perovskite ferroelettrica senza piombo è come trovare un ago in un pagliaio. Ci sono migliaia di possibili formulazioni.

Quindi Yang, Zhang e il team hanno collaborato con Sinéad Griffin, uno scienziato del personale della divisione Molecular Foundry and Materials Sciences di Berkeley Lab, specializzato nella progettazione di nuovi materiali per una varietà di applicazioni, tra cui l'informatica quantistica e la microelettronica.

Con il supporto del Materials Project, Griffin ha utilizzato i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) per eseguire calcoli teorici avanzati basati su un metodo noto come teoria del funzionale della densità.

Attraverso questi calcoli, che prendono in input la struttura atomica e le specie chimiche e possono prevedere proprietà come la struttura elettronica e la ferroelettricità, Griffin e il suo team si sono concentrati sul CGB, l'unica perovskite completamente inorganica che ha spuntato tutte le caselle sui ricercatori Lista dei desideri della perovskite ferroelettrica:è asimmetrica? Sì, la sua struttura atomica sembra un romboedro, cugino storto del rettangolo. È davvero una perovskite? Sì, la sua formula chimica:CeGeBr₃ – corrisponde alla struttura rivelatrice della perovskite di ABX₃ .

I ricercatori hanno teorizzato che il posizionamento asimmetrico del germanio al centro del cristallo creerebbe un potenziale che, come un campo elettrico, separa gli elettroni positivi dagli elettroni negativi per produrre elettricità. Ma avevano ragione?

Misurare il potenziale ferroelettrico del CGB

Per scoprirlo, Zhang ha coltivato minuscoli nanofili (da 100 a 1.000 nanometri di diametro) e nanopiastre (da circa 200 a 600 nanometri di spessore e 10 micron di larghezza) di CGB monocristallino con controllo e precisione eccezionali.

"Il mio laboratorio ha cercato di capire come sostituire il piombo con materiali meno tossici per molti anni", ha detto Yang. "Hai sviluppato una tecnica straordinaria per coltivare perovskiti di alogenuro di germanio a cristallo singolo, ed è una bellissima piattaforma per lo studio della ferroelettricità."

Esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source hanno rivelato la struttura cristallina asimmetrica del CGB, un segnale di ferroelettricità. Gli esperimenti di microscopia elettronica condotti da Xiaoqing Pan presso l'UC Irvine hanno scoperto ulteriori prove della ferroelettricità del CGB:una struttura atomica "spostata" compensata dal centro del germanio.

Nel frattempo, esperimenti di misurazione elettrica condotti nel laboratorio Ramesh da Zhang ed Eric Parsonnet, un ricercatore laureato in fisica della UC Berkeley e coautore dello studio, hanno rivelato una polarità commutabile in CGB, soddisfacendo un altro requisito per la ferroelettricità.

Ma un esperimento finale, le misurazioni della fotoconduttività nel laboratorio di Yang a Berkeley, ha prodotto un risultato delizioso e una sorpresa. I ricercatori hanno scoperto che l'assorbimento della luce del CGB è sintonizzabile, abbracciando lo spettro della luce da visibile a ultravioletta (da 1,6 a 3 elettronvolt), un intervallo ideale per convincere le efficienze di conversione ad alta energia in una cella solare, ha detto Yang. Tale accordabilità si trova raramente nei tradizionali ferroelettrici, ha osservato.

Yang dice che c'è ancora molto lavoro da fare prima che il materiale CGB possa fare il suo debutto in un dispositivo solare commerciale, ma è entusiasta dei risultati ottenuti finora. "Questo materiale ferroelettrico perovskite, che è essenzialmente un sale, è sorprendentemente versatile", ha detto. "Non vediamo l'ora di testarne il vero potenziale in un vero dispositivo fotovoltaico". + Esplora ulteriormente

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