Le celle solari sono vitali per la transizione verso l'energia verde. Possono essere utilizzati non solo sui tetti e sui parchi solari, ma anche per alimentare veicoli autonomi, come aerei e satelliti. Tuttavia, le celle solari fotovoltaiche sono attualmente pesanti e ingombranti, il che le rende difficili da trasportare in località remote off-grid, dove sono molto necessarie.

In una collaborazione guidata dall'Imperial College London, insieme a ricercatori di Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin in Germania e altri, i ricercatori hanno prodotto materiali in grado di assorbire livelli di luce solare paragonabili a quelli delle celle solari al silicio convenzionali, ma con livelli 10.000 volte inferiori spessore.

Il materiale è solfuro di bismuto di sodio (NaBiS₂ ), che viene coltivato come nanocristalli e depositato dalla soluzione per creare pellicole di 30 nanometri di spessore. NaBiS₂ è composto da elementi non tossici che sono sufficientemente abbondanti nella crosta terrestre per l'uso commerciale. Ad esempio, i composti a base di bismuto sono usati come sostituti del piombo non tossici nella saldatura o nella medicina dello stomaco da banco.

Yi-Teng Huang, Ph.D. studente dell'Università di Cambridge e co-primo autore, ha commentato di aver "trovato un materiale che assorbe la luce più fortemente rispetto alle tecnologie convenzionali delle celle solari e può essere stampato da un inchiostro. Questa tecnologia ha il potenziale per realizzare celle solari leggere che possono essere facilmente trasportabile o utilizzato in applicazioni aerospaziali."

Benefici del disturbo e del sodio

Fattori critici per il forte assorbimento della luce sono gli effetti del disordine e il ruolo del sodio.

Gli ioni sodio e bismuto in NaBiS₂ hanno dimensioni simili, nel senso che invece di occupare siti cristallografici diversi (ordinati), occupano lo stesso sito (disordinati). Di conseguenza, la struttura cristallina si trasforma in salgemma, che ricorda il sale da tavola. Tuttavia, il sodio e il bismuto non sono distribuiti uniformemente nel materiale e questa (in)omogeneità di disordine tra questi ioni ha un effetto significativo sulla forza di assorbimento.

Effetti simili sono stati riscontrati in lavori recenti su AgBiS₂ , ma NaBiS₂ ha un inizio più forte e più nitido nell'assorbimento della luce. Questo perché il sodio, a differenza dell'argento, non contribuisce agli stati elettronici attorno al bandgap del semiconduttore. Di conseguenza, c'è una maggiore concentrazione di stati elettronici disponibili per l'assorbimento della luce.

Seán Kavanagh, co-primo autore e Ph.D. studente nei gruppi di ricerca del prof. Aron Walsh presso il Dipartimento dei materiali dell'Imperial e del prof. David Scanlon presso l'UCL, ha commentato che "il disordine è stato a lungo considerato il nemico delle celle solari. Noto per uccidere l'efficienza dei materiali solari convenzionali come il silicio ( Si), tellururo di cadmio (CdTe) e arseniuro di gallio (GaAs), i ricercatori si sono generalmente concentrati sull'evitarlo a tutti i costi. Questo lavoro, insieme ad altri studi recenti del nostro e di altri gruppi, mostra che non è necessariamente così".

"Piuttosto se riusciamo a comprendere e controllare questo disturbo, può rappresentare un potente strumento per ottimizzare le proprietà dei materiali e produrre prestazioni da record in un'ampia gamma di applicazioni, non solo celle solari ma anche LED e termoelettrici, ad esempio. È un'esperienza entusiasmante prospetto per la ricerca sui materiali."

Zoom su un trilionesimo di secondo

I ricercatori hanno anche scoperto che il disturbo ha un effetto significativo e insolito sul trasporto di cariche fotogenerate nel materiale. Questo è stato studiato utilizzando tecniche spettroscopiche che sondano i processi che si verificano fino a un trilionesimo di secondo (picosecondo), nonché la modellazione computazionale.

Questi studi hanno scoperto che una distribuzione disomogenea di ioni sodio e bismuto provoca la formazione di stati elettronici localizzati, che catturano rapidamente le cariche. Queste cariche vivono in questi stati per decine di microsecondi, che è almeno 100 volte più lungo rispetto ad altri nuovi semiconduttori. Tuttavia, le cariche sono intrappolate in questi stati e possono spostarsi solo saltando tra gli stati, il che alla fine limita la loro capacità di muoversi ed essere estratte come elettricità.

Insolitamente, i ricercatori hanno anche scoperto che i difetti atomici svolgono un ruolo trascurabile in NaBiS₂ , perché il trasporto delle tasse è dominato dagli effetti di questi stati localizzati. Questi risultati, quindi, dimostrano l'importanza di controllare il grado di disordine e comprendere l'influenza sugli stati elettronici nei materiali.

I ricercatori hanno anche trovato NaBiS₂ di essere stabile nell'aria per l'intera durata del loro test di 11 mesi senza alcun incapsulamento richiesto, il che è in netto contrasto con altri nuovi materiali fotovoltaici, come le perovskiti di alogenuro di piombo. Ciò suggerisce la durabilità a lungo termine del materiale nei dispositivi, che è un requisito fondamentale per le celle solari commerciali.

Tante nuove opportunità

I ricercatori prevedono che questi risultati susciteranno un maggiore interesse per NaBiS₂ e materiali simili, in particolare per comprendere il ruolo del disordine cationico e le interazioni tra cariche e reticolo cristallino.

Il Dr. Robert Hoye, docente senior presso il Dipartimento dei materiali dell'Imperial College di Londra e autore corrispondente dell'articolo, ha commentato che "questi sono risultati molto interessanti che aprono nuove strade per ottimizzare le proprietà dei raccoglitori di energia solare. NaBiS₂ appartiene a un'interessante famiglia di materiali e speriamo che le nuove intuizioni generate nel nostro lavoro guideranno la scoperta e la selezione di una nuova generazione di composti fotoattivi efficienti ed economici." + Esplora ulteriormente

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