Le perovskiti ibride sono come baklava molecolare con strati inorganici a base di metallo alternati e strati organici a base di carbonio. Le interazioni nello strato organico possono regolare le distorsioni nella componente inorganica e aumentare l'efficienza delle celle solari realizzate con questi materiali. Credito:Arvin Kakekhani
In un solo giorno, una quantità sufficiente di luce solare colpisce la Terra per alimentare il mondo per un anno intero, se riusciamo a trovare un modo per catturare quell'energia in modo economico ed efficiente. Mentre il costo dell'energia solare è diminuito drasticamente, le attuali celle solari a base di silicio sono costose e ad alta intensità energetica da produrre, spingendo i ricercatori a cercare alternative.
Le celle solari in perovskite sono uno dei principali contendenti per la prossima generazione di questa energia rinnovabile. Questi materiali sintetici sono più economici e richiedono meno energia per essere prodotti, ma restano indietro rispetto a molte celle a base di silicio in termini di stabilità ed efficienza. Ora, un articolo pubblicato su Nature Communications dai gruppi dell'Università della Pennsylvania, Andrew M. Rappe e Yueh-Lin Loo dell'Università di Princeton, fornisce informazioni su come la composizione molecolare di alcune perovskiti potrebbe influenzare la loro efficienza e offre un percorso verso celle solari migliori utilizzando una metrica semplice.
"Attualmente il mondo ha bisogno di celle fotovoltaiche più efficienti ed economiche e i fotovoltaici ibridi 3D di perovskite hanno preso d'assalto il mondo", afferma Rappe, professore al Dipartimento di Chimica di Penn che co-dirige anche il programma VIPER di Penn. "Ma sono irreversibilmente danneggiati dall'acqua, che è un ostacolo per le applicazioni pratiche. L'inserimento di piani molecolari organici tra piani di perovskite ibrida 2D è uno schema promettente per fornire celle solari efficienti, a basso costo e robuste".
In questo studio, i ricercatori hanno studiato una certa classe di perovskiti chiamate perovskiti ibride 2D. Rispetto alle perovskiti fatte di cristalli 3D, queste tendono ad essere più stabili, costruite come baklava molecolare con strati alternati di molecole a base di metallo e carbonio. Lo strato a base di metallo, chiamato strato inorganico, interagisce con la luce per produrre elettricità ed è più efficiente quando i suoi atomi si allineano correttamente. Lo strato a base di carbonio, o organico, è composto da molecole con carica positiva che bilanciano lo strato inorganico con carica negativa.
Inizialmente, il team di Princeton ha preparato una serie di perovskiti 2D con diverse molecole organiche, studiando come queste molecole influenzassero l'allineamento dello strato inorganico e l'efficienza della cella solare. In particolare, hanno esaminato una classe di molecole organiche corte e flessibili, ciascuna con una carica positiva a un'estremità. Hanno notato che il tipo di molecola influenzava la struttura e l'efficienza energetica delle celle solari, ma non sapevano esattamente perché o come. Avevano bisogno di un'intuizione atomistica per completare i risultati e le ipotesi sperimentali. Questo aiuterebbe a spiegare le elevate prestazioni del sistema.
Quindi, hanno contattato Rappe e Arvin Kakekhani, allora post-dottorato nel gruppo Rappe, esperti nell'uso dei computer per modellare le interazioni chimiche. "[I ricercatori di Princeton] sono sperimentatori molto intelligenti e hanno avuto grandi intuizioni a livello sperimentale", afferma Kakekhani. "Ma avevano bisogno di conoscenze e intuizioni a livello atomico e molecolare". Questo è esattamente il tipo di lavoro in cui eccelle il laboratorio Rappe, avendo precedentemente collaborato con il gruppo Loo per modellare altri materiali perovskiti nel contesto della razionalizzazione delle loro proprietà meccaniche.
Dagli attuali calcoli della meccanica quantistica e dal lavoro di modellazione della carica, Kakekhani e Rappe hanno scoperto che le molecole nello strato organico potrebbero interagire tra loro, allineandosi a coppie oa zigzag tra gli strati a base di metallo delle perovskiti.
Quando si formano queste coppie o zigzag, le molecole organiche hanno interagito meno con lo strato a base di metallo, dando allo strato lo spazio per allinearsi correttamente e migliorando le prestazioni delle celle solari risultanti. Più rapidamente le molecole organiche potrebbero accoppiarsi e allontanarsi dallo strato inorganico, migliore sarà l'efficienza della cella solare risultante.
Questa osservazione da sola ha offerto informazioni su come realizzare perovskiti migliori. Ma Kakekhani si chiedeva se potesse trovare un modo per catturare questo fenomeno in un semplice valore che descrivesse l'interazione tra gli strati organici e inorganici. Dopo aver testato vari modelli, è atterrato su uno che descriveva quanto lontano le interazioni nello strato organico tirassero la carica positiva dallo strato inorganico. Quindi l'ha testato per vedere se poteva prevedere quanto bene si sarebbe allineato lo strato inorganico e quanto bene avrebbero potuto funzionare le celle solari.
Invece di adattare un modello utilizzando i dati dell'esperimento, ha deciso di costruirlo utilizzando esclusivamente la comprensione matematica e fisica di come interagiscono le sostanze chimiche. Questo è noto come modellazione dei materiali dei primi principi.
Questo tipo di modelli spesso fatica a replicare accuratamente i risultati del mondo reale, poiché potrebbero essere troppo semplici, considerando solo un piccolo sottoinsieme di possibili fenomeni coinvolti in un esperimento complesso. La modellazione dei principi primi diventa più potente quando può fornire informazioni fisiche e migliorare la comprensione di come ridurre un problema complesso a uno più semplice senza danneggiare la fedeltà del modello.
In questo caso, Kakekhani ha previsto le tendenze della vita reale con una fedeltà sorprendentemente alta. In termini matematici, il suo modello fornisce un coefficiente di determinazione>0,95, quasi una perfetta correlazione lineare. "Non avevo mai visto una corrispondenza così perfetta tra i modelli dei principi primi e le complesse osservabili sperimentali", afferma Kakekhani. "Collegare un modello che si trova in un computer e non sa nulla dell'esperimento alla materia reale con tutti i tipi di difetti e strutture su scala più ampia, è stato davvero sorprendente."
Poiché questa metrica ha bisogno solo di un computer per prevedere le prestazioni delle celle solari, potrebbe consentire agli scienziati di scegliere quali molecole potrebbero funzionare meglio nelle perovskiti prima di entrare in laboratorio, aiutando i ricercatori a restringere i loro sforzi solo ai candidati più promettenti. "Ci sono letteralmente milioni di molecole che le persone potrebbero provare. Ma non è così facile produrre milioni di celle solari", dice Rappe. "Questo offre alle persone una semplice regola di punteggio, in cui possono analizzare se una molecola che stanno prendendo in considerazione può aumentare la produttività della cella solare".
In futuro, Rappe afferma che queste informazioni potrebbero aiutare anche con i LED di perovskite. Se queste perovskiti possono trasformare la luce in energia in modo efficiente, dovrebbero essere in grado di fare qualcosa di simile quando trasformano l'energia in luce. I gruppi hanno in programma di vedere se lo stesso modello si applica a diversi strati inorganici e a una gamma più ampia di molecole organiche, o se altri fattori devono essere presi in considerazione per modellare accuratamente la perovskite.
Per ora, tuttavia, il modello utilizza un valore per prevedere le prestazioni di una cella solare complessa e la semplicità del modello è il suo punto di forza, afferma Kakekhani. "La semplicità crea intuizione e quell'intuizione può davvero creare grandi progressi nella scienza perché entra nella parte creativa non lineare del tuo cervello. Rimane lì e ti aiuta a trovare ogni tipo di intuizione". + Esplora ulteriormente
