I materiali cristallini noti come perovskiti potrebbero diventare le prossime superstar delle celle solari. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno dimostrato che una classe speciale di perovskiti, quelle costituite da un ibrido di componenti organici e inorganici, converte la luce solare in elettricità con un'efficienza superiore al 20 percento e sono più facili da fabbricare e più impermeabili ai difetti rispetto alla cella solare standard in silicio cristallino . Come fabbricato oggi, però, queste perovskiti organiche/inorganiche (OIP) si deteriorano molto prima della tipica vita di 30 anni delle celle di silicio, che impedisce il loro uso diffuso nello sfruttamento dell'energia solare.

Ora un team guidato da Andrea Centrone del National Institute of Standards and Technology (NIST) e Jinsong Huang e Alexei Gruverman dell'Università del Nebraska ha trovato le prime prove concrete di una proprietà degli OIP che potrebbe fornire un nuovo modo per migliorare il loro lungo -stabilità a termine come celle solari.

La caratteristica inaspettata che il team ha trovato è nota come ferroelasticità, un riarrangiamento spontaneo della struttura interna degli OIP in cui ogni cristallo si suddivide in una serie di minuscole regioni, o domini, che hanno la stessa disposizione atomica ma che sono orientati in direzioni diverse. Questo riarrangiamento crea un ceppo spontaneo in ogni dominio che esiste anche in assenza di qualsiasi stress esterno (forza).

"Deve essere compreso il ruolo dei domini ferroelastici sulla stabilità del materiale, " disse Centrono.

Ad alte temperature, I cristalli OIP non si suddividono e hanno la stessa disposizione cubica degli atomi in tutto. A temperatura ambiente, però, la struttura cristallina dell'OIP cambia da cubica a tetragonale, in cui si allunga un asse del cubo. È qui che entra in gioco la proprietà ferroelastica del materiale.

"Per trasformare da una disposizione cubica a una tetragonale, un asse del cubo deve allungarsi. Nel processo, ogni cristallo si suddivide in domini più piccoli in cui l'asse allungato può puntare in una direzione diversa, che porta a tensioni interne spontanee, " ha spiegato il membro del team Evgheni Strelcov del NIST e dell'Università del Maryland.

Attualmente, rimane sconosciuto se la ferroelasticità è una proprietà che migliora o ostacola le prestazioni e la stabilità delle celle solari perovskite, notato Centrone. Ma il fatto stesso che gli OIP abbiano questa struttura interna, rompendo i singoli cristalli in domini, è importante indagare, Ha aggiunto. I confini tra i cristalli, i cosiddetti confini tra i grani, sono noti per essere punti deboli, dove si concentrano i difetti strutturali. Allo stesso modo, i confini tra i domini ferroelastici appena scoperti all'interno di un singolo cristallo, i confini intra-grano, potrebbero anche influenzare la stabilità degli OIP e le loro prestazioni come celle solari.

I ricercatori hanno scoperto che piegando i cristalli, potevano muoversi in modo affidabile, creare o eliminare i bordi dei grani ferroelastici, i confini tra regioni cristalline suddivise con orientamenti diversi, ingrandendo o riducendo le dimensioni di ciascun dominio. La flessione ha anche cambiato la frazione relativa di domini che puntano in diversi orientamenti. I ricercatori hanno recentemente descritto il loro lavoro su Science Advances.

Nel loro studio, il team non ha trovato prove che gli OIP fossero ferroelettrici; in altre parole, che formavano domini in cui la separazione del centro di cariche elettriche positive e negative è allineata in direzioni diverse in assenza di un campo elettrico esterno. Questo dato è significativo, perché alcuni ricercatori avevano ipotizzato che la ferroelettricità potesse essere la proprietà sottostante che rende gli OIP candidati promettenti per le celle solari.

I ricercatori hanno creato singoli cristalli interi abbastanza grandi da rivelare domini ferroelastici, che apparivano come striature al microscopio ottico. Hanno anche studiato OIP costituiti da film sottili policristallini, che sono stati esaminati utilizzando tecniche su nanoscala.

I ricercatori hanno utilizzato due metodi su scala nanometrica che impiegano sonde del microscopio a forza atomica (AFM) per misurare la ferroelasticità nei film sottili OIP. All'Università del Nebraska, Gruverman e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microscopia a forza piezorisposta (PFM), che ha mappato la risposta meccanica indotta elettricamente di un campione OIP a riposo e sotto stress meccanico piegando delicatamente il campione.

Nell'altro metodo, impulsi laser che vanno dal visibile all'infrarosso colpiscono un film sottile di perovskite, provocando il riscaldamento e l'espansione del materiale. La minuscola espansione è stata catturata e amplificata dalla sonda AFM utilizzando la risonanza fototermica indotta (PTIR), una tecnica che combina la risoluzione di un AFM con le precise informazioni compositive fornite dalla spettroscopia infrarossa. L'imaging PTIR ha rivelato la presenza di striature microscopiche che persistevano anche quando i campioni venivano sottoposti a riscaldamento o tensione applicata. Gli esperimenti hanno mostrato che le striature non erano correlate alla composizione chimica locale o alle proprietà ottiche, ma erano dovute a differenze nel coefficiente di espansione termica dei domini ferroelastici.