Un materiale con la struttura cristallina della perovskite è diventato molto popolare per le celle solari. Mentre la maggior parte delle perovskiti sono composti inorganici, questo nuovo materiale è un ibrido di materiali organici e inorganici relativamente economici. In pochissimi anni, i ricercatori hanno raggiunto una notevole efficienza di conversione di potenza con queste perovskiti, confrontabile con i migliori materiali fotovoltaici disponibili.
Ora, ricercatori dal Giappone hanno rivelato la fisica di come funziona un componente importante di una cella solare in perovskite, una scoperta che potrebbe portare a celle solari migliorate o anche a materiali più nuovi e migliori. Descrivono i loro esperimenti nel numero di questa settimana della rivista Lettere di fisica applicata .
"Gli studi principali si sono concentrati sul miglioramento dell'efficienza [della cella solare] [con perovskite], " ha detto Kazuhiro Marumoto dell'Università di Tsukuba. "Ma il meccanismo microscopico dietro [come] queste celle solari [usando le perovskiti] non è stato completamente studiato".
Le celle solari funzionano convertendo l'energia luminosa in elettricità. Quando un fotone colpisce la perovskite, Per esempio, fa cadere un elettrone. Il punto vuoto lasciato libero dall'elettrone è chiamato buco, e agisce come una particella carica positivamente. Il successivo movimento degli elettroni e delle lacune è ciò che genera la corrente elettrica.
Poiché la stessa perovskite non conduce molto bene il movimento dei fori, le celle solari richiedono uno strato aggiuntivo di materiale di trasporto del foro per facilitare il flusso di corrente. Un materiale comune per il trasporto di fori è un composto chiamato spiro-OMeTAD. Per potenziare ancora di più la corrente, i ricercatori aggiungono un sale di litio chiamato LiTFSI a spiro-OMeTAD. Questo processo è chiamato "doping".
Spiro-OMeTAD è un materiale amorfo, che gli conferisce alcune proprietà uniche. La maggior parte dei materiali solidi ha bande di energia elettronica ben definite in cui gli elettroni e le lacune possono spostarsi per il trasporto attraverso il materiale. Cristalli, Per esempio, spesso hanno strutture a bande che consentono il flusso simmetrico di elettroni e lacune. Ma i materiali amorfi no.
A causa di questa struttura a banda asimmetrica, i buchi possono avere difficoltà a viaggiare attraverso un materiale amorfo perché possono rimanere intrappolati in un particolare livello di energia. Ma, secondo la teoria, doping spiro-OMeTAD con LiTFSI impedisce che i fori rimangano intrappolati.
Coppie di elettroni occupano ogni livello energetico in spiro-OMeTAD. Ma quando viene introdotto LiTFSI, uno di quegli elettroni viene rimosso, lasciando un buco al suo posto. La presenza di quel foro impedisce ad altri fori di rimanere bloccati a quel livello di energia, permettendo loro di muoversi liberamente e generare corrente elettrica.
In precedenza, nessuno ha confermato questo processo. Ma Marumoto e i suoi colleghi hanno ora utilizzato la spettroscopia di risonanza di spin elettronico (ESR) per dimostrare che questo meccanismo è, infatti, responsabile del miglioramento della capacità di spiro-OMeTAD di trasportare corrente.
La spettroscopia ESR misura lo spin di singoli, elettroni spaiati, che è ciò che viene creato quando spiro-OMeTAD viene drogato con LiTFSI. Negli esperimenti senza luce, i ricercatori hanno scoperto che il numero di spin di elettroni in spiro-OMeTAD è aumentato di due ordini di grandezza dopo essere stato drogato, confermando l'effetto di LiTFSI.
Per vedere come il doping influisce sull'efficienza di una cella solare perovskite/spiro-OMeTAD, i ricercatori hanno poi condotto i loro esperimenti sui due materiali stratificati insieme, con le luci accese. La luce induce i fori a trasferirsi dalla perovskite alla spiro-OMeTAD e generare corrente elettrica. I ricercatori hanno scoperto che il doping ha potenziato questo trasferimento di fori, dimostrando come LiTFSI migliora l'efficienza di una cella solare.
