La conversione fotovoltaica è considerata la soluzione definitiva alla crescente domanda di energia, eppure le celle solari tradizionali a base di silicio sono costose da produrre, e la produzione stessa comporta un consumo energetico intensivo. Celle solari ibride organiche-inorganiche emergenti a base di perovskite CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , d'altra parte, non sono solo economici da elaborare ma anche flessibili, e quindi sono ampiamente perseguiti come una delle tecnologie di conversione fotovoltaica di prossima generazione più promettenti.

Dalla prima segnalazione nel 2009, l'efficienza di conversione fotovoltaica delle celle solari in perovskite è aumentata in modo spettacolare dal 3,81% al 22,1% in soli sette anni, e questo aumento senza precedenti ha alimentato la ricerca mondiale di nuovi record di efficienza. Tuttavia, negli ultimi due anni, il ritmo dei guadagni di efficienza delle celle solari perovskite è rallentato considerevolmente nonostante la distanza dal limite teorico previsto del 31 percento. Perciò, i ricercatori stanno esplorando nuove strategie per migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari in perovskite.

Le attuali celle solari a perovskite sono basate su CH . policristallino ₃ NH ₃ PbI ₃ film, e quindi inevitabilmente presentano molti difetti nei grani e nei bordi dei grani che influiscono sulle prestazioni del dispositivo. I ricercatori hanno compiuto sforzi per produrre CH . sfuso ₃ NH ₃ PbI ₃ cristalli che presentano proprietà fotovoltaiche eccezionali come lunga lunghezza di diffusione e durata dei portatori di carica fotogenerati, sebbene l'integrazione del cristallo sfuso nell'architettura della cella solare perovskite si sia rivelata difficile.

Ora, un team di scienziati cinesi e statunitensi guidati dai prof. Jiangyu Li e Jinjin Zhao hanno coltivato con successo CH . monocristallino ₃ NH ₃ PbI ₃ film direttamente sul substrato FTO/TiO2 che raccoglie gli elettroni, come mostrato in Fig. 1. Hanno sfruttato il gradiente di temperatura e l'effetto capillare durante il processo di crescita, consentendo loro di produrre film monocristallino di alta qualità strettamente integrato su FTO/TiO2. Ciò si rivela critico, poiché FTO/TiO2 è il substrato di raccolta di elettroni più utilizzato per le celle solari in perovskite, rendendo semplice la successiva fabbricazione del dispositivo.

Infatti, il monocristallino CH ₃ NH ₃ PbI ₃ il film mostra eccellenti proprietà fotovoltaiche. Misurato direttamente su un substrato di vetro FTO con scarsa estrazione di elettroni, la fotoluminescenza risolta nel tempo ha una durata del vettore molto più lunga nel CH . monocristallino ₃ NH ₃ PbI ₃ film rispetto al film policristallino, come si vede in Fig. 2(a). Quando uno strato di raccolta di elettroni di TiO2 viene aggiunto al vetro FTO, quindi la durata del portatore di carica diminuisce sostanzialmente, grazie all'efficiente estrazione di elettroni all'interfaccia TiO2/perovskite. Di conseguenza, il dispositivo presenta un'efficienza di conversione fotovoltaica dell'8,78 percento, il più alto riportato fino ad oggi per una singola cella solare a perovskite cristallina. Il team afferma che il sistema ha molti margini di miglioramento, e con una continua ottimizzazione di materiali e dispositivi, credono che le celle solari a perovskite cristallina singola rivaleggiano con le loro controparti policristalline nel prossimo futuro.